WIAS 仿生鱼控制系统底层设计

一、系统架构

1.1 硬件架构

1.1.1手工焊接初步测试版本引脚设置

• OLED_0.96IIC

SCL	SDA
PB13	PB14

• TJA1050 CAN收发器 (CAN1)

CAN_TX	CAN_RX
PA12	PA11

• STM32系统板硬件资源

KEY_1	D2
PA0	PA1

• NRF24L01(SPI3 Port Remap)

IRQ	MISO	MOSI	SCLK	CSN	CE
PD0	PC11	PC12	PC10	PD1	PA15

• USART (USART1)

TX	RX
PA9	PA10

• IMU control port

PORT	ON	OFF
PB15	1	0

1.1.2 硬件设备参数

TMotor 参数范围

	位置(rad)	速度(rpm)	转矩(n*m)	Kp	Kd
AK80-9	±95.5	±45	±18	0 - 500	0 - 5
AK10-9	±95.5	±45	±54	0 - 500	0 - 5

其中AK10-9电机位置控制时，电机实际输出的角度时输入角度的1/10 (2021/01/24测试发现)，可通过将目标参数扩大10倍作为输入值来解决该问题。 原因是由于厂家给的数据错误，位置范围都应该时±95.5，而非12.5。

1.2软件架构

• 单片机软件目录结构

软件共有12个一级文件夹，分别存放不同功能代码或文件，其中*"Obj"*, "Prj", *"Doc"*分别存放：keil编译后文件、工程结构文件和软件相关说明。

-- “System” 文件夹下包含了有关系统运行的文件，其中*"timer_slice"*中的文件为本系统使用的程序架构---时间片轮询法；

-- *"Tasks"*文件夹下包含系统所运行的任务代码文件；

-- *"Communication"*文件夹下包含系统与外界通信的驱动文件，目前包括串口通信、I2C通信、CAN通信以及通信编解码函数；

-- *"Hardware"*文件夹下包含系统外部设备的驱动文件，包括：电机驱动、OLED显示屏驱动、按键驱动以及LED灯驱动；

-- *"Firmware"*文件夹下包含单片机底层文件库，该部分文件一般不能改动；

-- *"Main"*文件夹下包含系统初始化文件、系统模式配置文件、主函数文件和全局类型文件；

-- "Control" 文件夹下包含系统控制文件，目前没有添加，后期单片机上的控制方法实现文件都放于该文件夹下；

-- *"msgbox"*文件夹下包含消息管理分配的文件.

1.2.1 控制系统整体结构

控制系统分为3个部分，分别是顶层由PC端控制，主要是实现复杂的控制算法； 中层由MCU实现控制，直接从机在传感器获得航行器的姿态信息，直接对航行器的姿态进行控制，使航行器处于稳定状态，并向上位机实时发送航行器的姿态以及其它状态信息；底层是电机的控制，使电机能够在规定时间以规定的状态到达规定的位置，目前电机上应用的使FOC控制方法。

上位机与单片机之间的通信采用串口通信，上位机将浮点型数据编码成字符型数据通过串口下发到单片机，单片机通过相应的解码函数进行解压后结合电机返回的信息以及机身传感器返回的信息对电机机型控制，单片机和电机之间采用的CAN总线进行通信同样需要将浮点型数据进行相应的编码后进行发送。

1.2.2 控制器架构

下位机控制器采用STM32F407单片机，系统可分为三个部分：时间片轮询部分、系统显示部分和通信部分，这单个部分单独实现互不影响，只能通过相应的接口进行交流。

• 时间片轮询部分

时间片轮询使用TIM3定时器及其中断，时间片可自行划分，最小时间片为1ms。

时间片轮询作为系统任务的执行部分，可以根据需求增加相应的时间片任务，目前最基本的任务有：

-- LED闪烁任务，用于判断系统是否正常运行；

-- OLED刷新，上面运行着一个计数器，计数器的值每隔50ms加一并显示，用以判断系统是否卡顿；

-- 按键检测任务，按键检测任务每隔20ms执行一次；

-- 电机控制任务，周期为5ms，该任务只在连续控制时才使用，当使用上位机直接控制时该任务不被创建。

若要创建相应的任务时间片，在下面这个结构体数组中增加相应的函数，并在*"task.h"中更改相应的"TASK_NUM"*.

• 系统显示部分

由于系统对时序要求较为严格，如果直接在时间片轮询中创建显示函数，那么在一些中断中会打断显示函数的执行，导致花屏，故将显示功能独立出来作为系统显示。

系统显示使用软中断实现，显示中断的抢占优先级和串口通信的优先级相同，子优先级低于串口通信优先级，故在串口通信的中断中不能使用系统显示函数。实现方式是将显示参数通过结构体传递，调用系统显示函数时会产生一个软中断，中断函数入口是外部中断3.

目前系统显示的局限是在优先级比系统显示中断优先级高的中断中不能调用，该问题可以通过显示功能消息盒子来解决。具体方案如下：

1. 建立显示功能消息盒子(消息队列)；
2. 系统中若需要使用显示功能，将数据先发送至消息盒子；
3. 系统在高优先级任务完成后执行显示函数，然后清空该消息，等待下次数据更新并显示。

相应的接口如下:

• 通信部分

通信部分主要包括串口和CAN通信部分，以后和传感器之间的通信按时间要求，时间较长的可以创建相应的时间片，时间短的可以使用定时器中断实现，一般不包含在这个部分。

串口通信部分用以接收上位机控制指令以及上传航行器信息，上传通过串口DMA方式减少CPU开销，以提高数据交互速率；数据接收是通过中断接收，规定每次接收一帧30字节的数据，其中包括帧头和帧尾。串口每接收到上位机的一帧数据回向上位机反馈相应的数据，在上位机直接单次控制中每接收一帧电机控制信息，就控制一次电机并反馈电机此时的状态，具体实现见串口接收中断函数

串口通信接口如下：

CAN总线通信部分是于电机进行通信，速率为1Mbps,电机的控制信息压缩在一个CAN的数据帧中(8字节)，每发送一帧数据便接收一帧数据。

CAN总线接口如下：

电机控制接口如下：

对外接口只有2个函数，前面的结构体为电机控制参数。

1.2.3 控制器数据流

控制器数据流如下图所示，控制信息由上位机通过串口下发到底层控制器MCU。控制器中的分发器将控制数据分发到消息盒子中的对应位置，然后每个任务消息盒子中获取相应的控制数据，然后将该任务产生的数据保存至消息盒子总相应的位置，通过统一的机制返回到上位机。信息返回可选方案：

• 在下一次控制指令发送时接收；
• 数据产生后即时上传(上位机实现方式待探索)

1.2.4 上位机软件架构

上位机基于MATLAB，一是开发方便，二是做控制算法方便，三是可以直接借助MATLAB这个平台做来联合仿真。初级基本功能以及算法验证架构如下：

该结构用于验证下位机的控制功能及其算法优化，下位机功能验证成功后可改用其它方式做实物在线仿真。

二、 数据格式

2.1 控制信号

格式：

SOF	MODE	SIZE	DATA0	...	DATAx	FCS_h	FCS_l	EOF
帧头	控制模式	数据段大小	数据0	...	数据x	帧校验高8位	帧校验低8位	帧尾

-- **SOF :**帧头，固定为 '{ '.

-- **EOF: **帧尾，固定为 '}'.

-- **FCS_h/FCS_l: **数据校验和的高8位和低8位，采用CRC16校验，2字节.

-- **MODE: **控制模式，其中MODE0保留，不用做控制模式，但可以用此模式来接收下位机信息而不做控制.

-- **SIZE: **此次传输数据段大小, DATA0 - DATAx 的字节数.

-- **DATA1-DATAx: **数据段，如果没有数据，这段可以去除，此时SIZE应该为0.

-- 数据字段最大为255字节

• MODE 说明

-- 0：保留

-- 1：解锁电机

-- 2：电机上锁

-- 3：设置电机零点

-- 4：控制电机

2.1.1 电机控制信号

电机控制信号分为4种模式，MODE1为解锁电机，MODE2为电机上锁，MODE3为设置电机零点，MODE4为控制电机运动。

• MODE1信号格式

SOF	MODE	SIZE	DATA0	...	DATAx	FCS_h	FCS_l	EOF
{	1	x	ID1	...	IDx	crc16_1	crc16_0	}

-- 此模式下DATA字段为要解锁的电机ID号.

• MODE2信号格式

SOF	MODE	SIZE	DATA0	...	DATAx	FCS_h	FCS_l	EOF
{	2	x	ID1	...	IDx	crc16_1	crc16_0	}

-- 此模式下DATA字段为要上锁的电机ID号.

• MODE3信号格式

SOF	MODE	SIZE	DATA0	...	DATAx	FCS_h	FCS_l	EOF
{	1	x	ID1	...	IDx	crc16_1	crc16_0	}

-- 此模式下DATA字段为要设置零点的电机ID号.

• MODE4信号格式

SOF	MODE	SIZE	DATA0 - DATAx	FCS_h	FCS_l	EOF
{	4	x	见下面描述	crc16_1	crc16_0	}

MODE4数据段格式

id	P_h	P_l	V_h	V_l	T_h	T_l	Kp_h	Kp_l	Kd_h	Kd_l
电机id	位置高8位	位置低8位	速度高8位	速度低8位	转矩高8位	转矩低8位	Kp高8位	Kp低8位	Kd高8位	Kd低8位

-- 每个电机的控制信息首位相连，上一个电机的Kd_l后紧接着就是下一个电机的id.

-- 此模式下一个电机的控制信息要使用11个DATA段，SIZE的大小为11乘以要控制电机的个数，MODE为4，帧头和帧尾分别为 ‘{’ 和 ‘}’ .

-- 该模式除DATA段比较多而外和其它模式相同.

• 通信编码方式

-- 若是传输数据为char型：直接传输，

-- 若传输数据为float型：将该数据乘以100后分为两个char型数据传送，接收端收到后进行解码 (需要注意数据大小，数据不能过大).

-- 帧尾前2个字节为该帧数据的校验位，校验采用CRC16校验方法

2.2 回传信号

**格式： **

SOF	TYPE	SIZE	DATA0	...	DATAx	FCS_h	FCS_l	EOF
帧头	信号类型	数据段大小	数据0	...	数据x	帧校验高8位	帧校验低8位	帧尾

-- **SOF: **帧头，固定为 ’{‘.

-- **EOF: **帧尾，固定为 ’}‘.

-- **FCS_h/FCS_l: **数据校验和的高8位和低8位，采用CRC16校验，2字节.

-- **TYPE: **返回信号类型，如电机信号、传感器信号等.

-- **SIZE: **此次传输数据段大小, DATA0 - DATAx 的字节数.

-- **DATA1-DATAx: **数据段，如果没有数据，这段可以去除，此时SIZE应该为0.

• TYPE 说明

-- 0：保留

-- 1：电机信息

2.2.1 电机信息回传

• 电机信息回传格式

SOF	TYPE	SIZE	DATA0 - DATAx	FCS_h	FCS_l	EOF
{	4	x	见下面描述	crc16_1	crc16_0	}

电机信息回传数据段格式

id	P_h	P_l	V_h	V_l	T_h	T_l
电机id	位置高8位	位置低8位	速度高8位	速度低8位	转矩高8位	转矩低8位

-- 每个电机的控制信息首位相连，上一个电机的T_l后紧接着就是下一个电机的id.

-- 此模式下一个电机的控制信息要使用7个DATA段，SIZE的大小为7乘以要回传信息的电机的个数，MODE为4，帧头和帧尾分别为 ‘{’ 和 ‘}’

-- 该模式除DATA段比较多而外和其它模式相同.

• 电机设置信息回传格式

SOF	TYPE	SIZE	DATA0 - DATAx	FCS_h	FCS_l	EOF
{	1/2/3	x	见下描述	crc16_1	crc16_0	}

数据段描述

id	state
电机id	返回状态

-- 返回状态： [1] 对应id的电机设置成功， [0] 对应id的电机设置失败

-- 此模式下一个电机的返回状态要包含2个DATA字段，SIZE的大小为2乘以要回传的电机设置状态数，MODE为对应的模式(1/2/3)