遥控小车报告.docx
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遥控小车报告
遥控小车报告
电子系统设计
基于STM32的无线遥控小车
课程设计
黄光普2011112020433
电子信息科学与技术
物理与电子科学学院
2014年05月2日
电工电子中心2009年5月绘制
基于STM32的无线遥控小车
一．任务解析
1、电机驱动方案以及主控芯片选择
2、无线通信模块的驱动和调试
3、软件控制算法
4、STM32主控制板PCB打样及调试
二．方案实施
1方案论证：
1）电机驱动方案选择：
电机的常用驱动方式有两种：
直流电压驱动，PWM加H桥驱动。
直流
驱动实现简单，但是一般只能实现单向旋转，并且效率低。
PWM加H
桥的驱动方式可以在一组电源的情况下方便实现正反转，H桥工作在
开关状态下，效率高，故采用PWM加H桥的驱动方案。
2）主控芯片选择：
一路电机需要两路PWM信号来控制正反转以及转速，小车有四个独立的直流电机，所以需要8路PWM。
不管是传统51单片机还是改进型的12单片机都已经不能胜任此任务，这里采用意法半导体公司的STM32F103RBT6芯片作为主控。
STM32F103RBT6有128K的FLASH，20K的SRAM，最高72MHZ工作频率，2个12位ADC（16个通道），支持DMA传输，多达7个定时器，9个通信接口。
强大的性能以及低廉的价格完全可以满足本设计的需求。
2无线模块的驱动和调试
无线通信采用的是挪威NORDIC公司的NRF24L01+芯片。
nRF24L01+是一款高速低功耗集收发于一体的半双工芯片，最大传输速度可以达到2Mbps，工作在2.4GHz全球开放ISM频段，最大0dBm发射功率，免许可证使用。
nRF24L01+集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，其通信接口采用标准的SPI总线接口。
用51单片机驱动NRF24L01+的做法是软件模拟SPI时序，但是软件模拟的时序存在部分问题：
1），软件模拟时序速度慢，2）稳定度不够高，STM32F103RBT6芯片自带硬件双路SPI，最高速度可以达到18MBits/s，此处的NRF24L01+和OLED都是通过硬件SPI驱动的。
硬件SPI配置的关键代码如下：
SPI_InitTypeDefSPI_InitStructure;//声明SPI结构体
RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE）;//使能复用AFIO时钟，使用硬件SPI必须先使能复用AFIO时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE）;//使能SPI1时钟，使用外设时，必须先使能外设时钟
SPI_Cmd（SPI1,DISABLE）;//改变MODE前先禁止SPI
SPI_InitStructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//设置为两线全双工模式
SPI_InitStructure.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;//设置为主模式
SPI_InitStructure.SPI_DataSize=SPI_DataSize_8b;//设置为8位数据帧模式
SPI_InitStructure.SPI_CPOL=SPI_CPOL_Low;//CPOL=0时钟悬空低
SPI_InitStructure.SPI_CPHA=SPI_CPHA_1Edge;//数据捕获于第1个上升沿
SPI_InitStructure.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;//NSS软件控制
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_2;//SPI时钟2分频,72M/2=36MHZ
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;//MSB/高位在前发送
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial=7;
//用来设置CRC校验多项式，提高通信可靠性，大于1即可
SPI_Init（SPI1,&SPI_InitStructure）;//根据指定的参数初始化SPI1
SPI_Cmd（SPI1,ENABLE）;//使能SPI1
2，软件控制算法
1），8路PWM的产生
这里采用PWM加H桥驱动有刷直流电机，一路电机需要两路PWM，来控制正反转以及转速，小车有四个独立的直流电机，所以需要8路PWM。
STM32的每一个TIME有四个通道，每个通道可以独立的配置为PWM输出或者输入CAP模式，这里采用TIM2和TIM4的8个通道来产生需要的8路PWM。
经过实际的测试发现，在相同的占空比下，PWM频率为100HZ左右时电机的转速以及扭力均大于1KHZ，10KHZ。
TIM2和TIM4属于挂接在低速时钟总线APB1的外设，在预分频不等于1时，TIM2和TIM4的时钟源为72MHZ（系统时钟为72MHZ的情况下）。
无线模块接收的数据为0~4095，在这里对应0%~100%的占空比，所以在频率为100HZ时，预分频系数选择176分频，重装载值为4095，72MHZ/176/4096=100HZ。
硬件PWM配置关键代码如下：
GPIO_Config（PA,Pin（0）|Pin
（1）|Pin
（2）|Pin（3）,AF_PP,Speed_50M）;//GPIOA通道0,1,2,3设定为复用推挽输出模式
GPIO_Config（PB,Pin（6）|Pin（7）|Pin（8）|Pin（9）,AF_PP,Speed_50M）;//GPIOB通道6,7,8,9设定为复用推挽输出模式
TIM_BaseConfig（TIME2,4095,175,TIM_72M,Mode_Up）;//72M/（175+1）/（4095+1）=100Hz，设定TIM2四路PWM频率为100HZ
TIM_BaseConfig（TIME4,4095,175,TIM_72M,Mode_Up）;//72M/（175+1）/（4095+1）=100Hz,设定TIM4四路PWM频率为100HZ
for（CHx=1;CHx<5;CHx++）
{TIM_PWM_Config（TIME2,CHx,PWM1,High）;//配置TIM2四通道PWM为比较输出高模式
TIM_PWM_Config（TIME4,CHx,PWM1,High）;//配置TIM4四通道PWM为比较输出高模式
}
2）小车前进/后退以及转弯控制
图1：
L9110典型应用图
如上图1所示，当正转信号端有PWM信号，反转信号端为低电平时，电机正转，此时小车前进。
当正转信号端为低电平，反转信号端有PWM信号时，电机反转，即小车后退，通过控制输入PWM的占空比即可以实现小车速度的调节。
由于市面上卖的四轮驱动小车的四个轮子都是固定的，不能像汽车那样，导向轮可以左右转动,这里采取使左右轮的速度不一致的方式来实现转弯，当左轮速度大，右轮速度小，小车向右转，反之左转。
如果以固定的差值改变左右PWM占空比，这样油门不同的时候就会出问题，例如为了解决这个问题，这里采用比例法，用这个比例系数去乘上油门的值，这样就可以很容易的解决问题。
转弯的关键代码如下：
u16Throttle;//油门
u16Direction;//方向
floatDirL,DirR;//左右轮油门比例
if（Direction>2048）//如果方向值大与2048
{
DirL=1.0;//设置左轮油门比例系数为1
DirR=（4096-Direction）/2048.0;//右轮油门比例系数随着方向值增大而减小
}
Else//如果方向值小与2048
{
DirL=Direction/2048.0;//左轮油门比例系数随着方向值减小而减小
DirR=1.0;//设置右轮油门比例系数为1
}
TIM_SetCompare1（TIM4,0）;//设定TIM4通道CHx占空比为0，即为低电平，此时为正转，小车前进
TIM_SetCompare2（TIM4,0）;
TIM_SetCompare3（TIM4,0）;
TIM_SetCompare4（TIM4,0）;
if（Nflag!
=Oflag）//当Nflag!
=oldflag（车换向时）时，设置死区延时，防止同一侧两个开关管同时导通烧坏芯片
{
delay_ms（50）;
}
TIM_SetCompare1（TIM2,（u32）Thr*DirR）;//设定通道CH1占空比，占空比的值由油门值以及油门比例系数共同决定
TIM_SetCompare2（TIM2,（u32）Thr*DirR）;//同上
TIM_SetCompare3（TIM2,（u32）Thr*DirL）;
TIM_SetCompare4（TIM2,（u32）Thr*DirL）;
3）在实际的测试过程中发现当遥控的油门减小前就突然断电了，小车会保持之前的状态继续运动，这样就会失去控制，很容易出问题。
后来在此基础上想到了看门狗，如果在规定时间里没有向看门狗寄存器里写入特定的数据，就会产生系统复位，当复位后，初始状态下车是停止的，这样一旦接收不到遥控的发来的数据就停止喂狗，系统处于一直复位状态，知道接收到遥控发送的数据，这样就保证了系统的稳定工作。
具体实现代码如下：
IWDG_Config（IWDG_2K5,2500）;//配置独立看门狗时钟为2.5K，计数值为2500,1/2500*2500=1s，在1s内喂狗不会产生系统复位
if（STATE==1&&flag!
=0xff）//判断接收标志位，当遥控突然断电后，用串口发现依然能够接收到0XFF的标志位，原因暂时不详
{
IWDG_Feed（）;//接受到数据后喂狗，1S内没接收到数据产生系统复位
Throttle=RxBuf[0]*256+RxBuf[1];//获得油门值
Direction=RxBuf[2]*256+RxBuf[3];//获得方向值
flag=RxBuf[4];//获得正/反转标志位值
printf（"%d%d%d\r\n",Throttle,Direction,flag）;//串口打印接收到的数据，便于系统调试
STATE=0;//清空接收标志位
}
为了清晰的观察，系统是否处在复位状态下，这里加了指示灯加以指示，当系统复位时，会观察到灯以1S左右的周期闪烁，当系统正常工作时，灯处于长亮状态。
具体代码如下：
LED=1;//初始复位，状态指示灯不亮
delay_ms（500）;//当硬件一直复位时，形成状态灯以1s周期闪烁的效果
while
（1）
{
LED=0;//当系统正常工作时，状态指示灯长亮
3，STM32主控制板PCB打样及调试
1）在进行PCB打样之前，先得进行原理的验证，这块板子的原
理图参考了周兆丰老师以及正点原子的MiniSTM32开发板，在他们的基础上有所增减。
当然，这不是一块纯粹的小车控制板，是一个完整的STM32开发板。
里面的模块很多，这里就只介绍其中一部分。
原理图部分如下：
图2：
串口/USB选择
当1和3,2和4相连是，是串口的功能，当3和5,4和6相连时，是USB功能，这里相对正点原子的少了两个排针，3,4可以作为公用的，减少了排针数目。
图3：
一键下载电路
当然，这个电路不是我原创的啦，是正点原子的，觉得很经典，
在这里说明一下。
下载的时候选择DTR的低电平复位，RTS的高电平进BootLoard。
一键下载电路的具体实现过程：
首先，mcuisp控制DTR输出低电平，则DTR_N输出高，然后RTS置高，则RTS_N输出低，这样Q2导通了，BOOT0被拉高，即实现设置BOOT0为1，同时Q1也会导通，STM32的复位脚被拉低，实现复位。
然后，延时100ms后，mcuisp控制DTR为高电平，则DTR_N输出低电平，RTS维持高电平，则RTS_N继续为低电平，此时STM32的复位引脚，由于Q1不再导通，变为高电平，STM32结束复位，但是BOOT0还是维持为1，从而进入ISP模式，接着mcuisp就可以开始连接STM32，下载代码了，从而实现一键下载。
图4：
通用OELD模块接口
我的这个OLED排母有9个引脚，可能你会觉得奇怪，本来SPI驱动模式的OLED（128*64）市面上常用的一般都只有6个引脚，多的也才7个引脚，为什么要多此一举多弄两个电源引脚呢？
仔细观察之后，你也许会明白，这样做是为了兼容性，当你顺着看的时候可以完全兼容6脚或者7脚的OLED，那么IIC驱动模式的呢，对了，当你从下往上看的时候，会发现正好就是4脚IIC驱动模式的OLED，而且蛮巧的，正好硬件IIC的引脚和硬件SPI的引脚是挨着的，这样在方便布线的同时保证兼容市面上所有接口类型的OLED（单指128*64点），并且在程序上都可以采用硬件功能驱动，可以更快速的显示动态画面。
图5：
TFT彩屏以及正点原子OLED接口
彩屏接口是照着正点原子的原理图画的，因为对彩屏不是太熟悉，加之中等容量的STM32没有FSMC，只能用模拟时序的方式去驱动
彩屏，并且在正点原子的TFT程序功能已经如此丰富的情况下，贸然去大幅度更改会造成不必要的麻烦。
这里也可以兼容正点原子的OLED，他是采用模拟时序的方式驱动的，虽然他的驱动方式灵活（8080，SPI,IIC可选），但是在速度上就比不上硬件驱动了
上几张整体效果图：
三．结果展示
四．经验总结
这次做遥控小车，是源于大二时的想法，当时还没接触到STM32，用来用去都是51，一想到8路PWM就立马感觉无可奈何了。
其实当时也只是一时觉得好玩，想趁着考研之前做点玩的，顺便也挑战一下自己，深入学习一下STM32。
做之前也没想那么多，找到有意愿想做的，一番简单商量之后就开始开工了。
在做的过程中，不断发现问题，一个一个解决问题。
STM32开发板我是自己打了两版的，第一版没有一键下载电路，下载程序不能一键下载，需要通过短路帽选择启动区。
当时画PCB因为不明白那是一键下载电路，就给省掉了。
后来想着既然做，就做的像个样子，于是经过修改调整之后才有了现在这一版。
在小车最后调试阶段，在全速时突然换向，结果导致电机驱动板烧坏，刚开始以为是全速换向瞬时电流太大导致的。
后来换了一块新驱动板，在低速下换向，发现还是烧了。
经过测试，全速换向时，瞬时电流也远没有达到800MA，愣是没想明白问题在哪。
我仔细研究了一下H桥驱动方案，突然发现原来还是程序问题。
因为没有采用悬浮驱动的方式，在换向的时候必须设定死区时间，如果没有设置死区时间，换向时就会导致同侧的功率管同时处于开启状态，由于功率管导通电阻很小，相当于将电源直接短接，流过功率管电流过大，导致芯片烧坏。
东西还是自己亲身做了才会有深刻体会，这次从头到尾做下来也花了不少钱，如果在大二想到花这么多钱去做一件事，想想估计就不会去做了。
现在想想也觉得这点东西不算什么，一是为了好玩，二是为了学点东西，收获也还是蛮丰富的，做东西的时候要考虑周到，多多思考怎么将作品做的更加完美。
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