基于RTT驅(qū)動“舵機轉(zhuǎn)向小車”的實現(xiàn)過程

一、背景
前些年，為了給學(xué)習(xí)單片機編程的學(xué)生提供一個方便使用的控制素材，我設(shè)計了一個輪式驅(qū)動單元，其最大特點就是將電機驅(qū)動和碼盤反饋集成到一起，用幾個TTL電平線就可以驅(qū)動，和舵機的驅(qū)動類似，這樣使用時可以根據(jù)喜好、需要隨意選擇核心板驅(qū)動

可以用它構(gòu)建不同驅(qū)動方式的小車底盤，最簡單的一種驅(qū)動方式就是使用一個輪式驅(qū)動單元加一個舵機實現(xiàn)的“單輪驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)向小車”，它的運動方式和現(xiàn)實世界中的電動叉車類似

因這種驅(qū)動方式小車的轉(zhuǎn)向和行走兩個主要控制元素相互獨立，從學(xué)習(xí)編程角度考慮，相對于兩輪差分驅(qū)動方式更為簡單、容易。

當時目標是降低學(xué)習(xí)門檻，故選了Arduino作為控制器。為便于接線，選擇了市場上的一種 Nano 擴展板，其外形和UNO一樣，只是將每個IO都配了一個地線和電源端，用杜邦線連接十分方便

后來覺得Arduino Nano控制器資源太少，考慮改用主流的 STM32F103C8T6核心板，但Nano擴展板的構(gòu)思不錯，邊參考它自己設(shè)計了一塊 STM32F103C8核心板的擴展板

由于大環(huán)境影響，國產(chǎn)OS被重視，在RTOS領(lǐng)域，RT-Thread無疑是國產(chǎn)系統(tǒng)中的佼佼者。故萌生了在小車平臺上嘗試一下的念頭，既然有可以方便使用的STM32F103C8擴展板，又有和STM32F103C8核心板兼容的STM32F411CE核心板，小車的控制也應(yīng)該提升一下，跑跑我們自己的RTOS。

下面將完整地記錄實施過程，期望能對想選用 RT-Thread 開發(fā)產(chǎn)品的朋友有幫助，因為小車控制相對實時性要求較高，有真實的多任務(wù)需求，不同于HMI（人機界面）類應(yīng)用，用事件驅(qū)動即可，沒有那么強的實時性、并發(fā)性要求。

二、目標
按實時多任務(wù)的思路，基于 RT-Thread，完成小車驅(qū)動，并可以通過串口（藍牙透傳）操縱小車運動。
因為RT-Thread 的特色是有豐富的組件和軟件包可以擴展，但要享用這些，必須是標準版；如果用Nano版，和FreeRTOS區(qū)別不大。故選擇RT-Thread標準版。

三、實施過程
3.1 總體構(gòu)思及任務(wù)設(shè)計
我做項目通常是先構(gòu)思程序框架，將所需完成的功能合理拆解，根據(jù)功能確定框架。
選用成熟的RTOS，只是有了多任務(wù)實現(xiàn)的手段和工具，程序框架還是需要自己設(shè)計。
對于基于RTOS的程序而言，首先要設(shè)計的就是任務(wù)（在RT-Thread中為線程），根據(jù)RTOS所提供的工具，結(jié)合自己想要實現(xiàn)的功能，合理劃分任務(wù)，創(chuàng)建相應(yīng)的線程，并確定線程之間的交互方式及內(nèi)容，從而完成一個基于RTOS的多任務(wù)控制程序。
任務(wù)劃分的首要目標是相對獨立，即所構(gòu)建的任務(wù)是完整的，有清晰的輸入消息和輸出結(jié)果，其工作只是對輸入進行相應(yīng)處理，給出輸出，中間過程不受其它因素所牽制。
其次是任務(wù)可一次完成，中間沒有長時間的等待操作，任務(wù)通常是處在等待輸入的狀態(tài)，收到輸入后，即刻完成對輸入的處理，輸出結(jié)果，之后再次回到等待輸入狀態(tài)。
這樣設(shè)計主要是因為：所謂多任務(wù)操作，表面上看每個任務(wù)都在連續(xù)執(zhí)行，實質(zhì)上MCU還是分時處理各個任務(wù)，只是通過RTOS在后臺切換。
RTOS調(diào)度的方式?jīng)Q定了各個任務(wù)的分配時間和響應(yīng)速度，各家RTOS的調(diào)度方式雖有不同，但都遵循一個原則：即處于等待狀態(tài)的任務(wù)不分配運行時間，這樣才能使程序達到最佳效率。
使用RTOS的等候消息函數(shù)，就是告知OS，我目前“沒事”，在等新的消息。
基于這種方式構(gòu)建任務(wù)除了保證程序的執(zhí)行效率和實時性外，還便于調(diào)試?？扇藶樽⑷胂⒂|發(fā)任務(wù)執(zhí)行，觀察輸出結(jié)果是否符合設(shè)計即可。而且可以用多模塊方式，一個任務(wù)一個模塊，由多人分別編寫、合作完成。
基于RTOS編程，考慮到其多任務(wù)的特點，通常是先做一個基礎(chǔ)框架，再根據(jù)不同的場景設(shè)計相應(yīng)的任務(wù)。
所謂“基礎(chǔ)框架”，就是結(jié)合單片機應(yīng)用的特點，將一些通用需求納入，這樣在每次做新的項目時以此為基礎(chǔ)，增加新的功能即可。

基礎(chǔ)框架包含：
1）串口命令接收：作為人機交互通道，代替以往通過按鍵實現(xiàn)的程序操控手段。操作命令的產(chǎn)生可以用PC、手機之類有豐富交互手段的設(shè)備，比實體按鍵更為靈活、直觀、豐富。
2）串口數(shù)據(jù)發(fā)送：作為人機交互通道，代替以往通過顯示器實現(xiàn)的信息輸出，同樣可以用PC、手機之類的設(shè)備接收后顯示，界面設(shè)計遠比顯示屏靈活、豐富、隨心所欲。之所以將收、發(fā)分開，是考慮到輸出信息需要服務(wù)于所有任務(wù)，以便功能設(shè)計更為合理。
3）調(diào)試信息輸出任務(wù)：在沒有或不能使用IDE調(diào)試手段時，需要在程序中輸出相應(yīng)的調(diào)試信息，以實現(xiàn) Debug ；不過，RT-Thread 內(nèi)置Finsh 十分完善，故選用RT-Thread則不再需要設(shè)計此任務(wù)，這是 RT-Thread 優(yōu)點之一。
4）看護任務(wù)：利用RTOS的信息交互機制，周期性地與各任務(wù)交換信息，當出現(xiàn)不應(yīng)答時，說明對應(yīng)的任務(wù)工作異常，可以做相應(yīng)的操作。這樣處理無需復(fù)位，導(dǎo)致其它任務(wù)被非正常中斷，增加了程序的可靠性。即便不處理，也能利用調(diào)試信息輸出及時發(fā)現(xiàn)是哪個任務(wù)異常，以便消除隱患。
5）主應(yīng)用任務(wù)：前面幾個任務(wù)屬于框架的基礎(chǔ)任務(wù)，未涉及程序需要執(zhí)行的實際功能，主應(yīng)用任務(wù)就是實現(xiàn)具體功能的核心。設(shè)計主應(yīng)用任務(wù)是考慮到一般來說，程序均有一個核心的部分，用于管理、協(xié)調(diào)一些子功能，使得程序運行有序；它相當于一個管理者。這個在抽象的框架設(shè)計時只完成了信息交互，在具體到特定的需求時再完善設(shè)計。
6）其它任務(wù)：相當于執(zhí)行者，完成特定的功能。同上，這個任務(wù)在框架設(shè)計時只是完成和主應(yīng)用任務(wù)的信息交互，具體實施時再詳細設(shè)計。

在本項目實施中，需要完成的功能如下：
1、接受串口操作命令，解析并執(zhí)行。具體而言就是2個命令：按指定速度前進或后退指定距離、轉(zhuǎn)向角度。
2、電機驅(qū)動，實現(xiàn)調(diào)速和走指定距離。
3、舵機驅(qū)動，完成指定轉(zhuǎn)向角度。
據(jù)此，考慮設(shè)置兩個執(zhí)行任務(wù)：電機驅(qū)動、舵機驅(qū)動，以及一個主應(yīng)用任務(wù)，負責(zé)接受、解析操作命令，將相應(yīng)操作信息發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行任務(wù)。
舵機的操作方式按道理無需單設(shè)為一個任務(wù)，因為它自身閉環(huán)，無需程序去處理反饋和修正。但考慮到邏輯上的獨立性，以及未來用多個舵機和輪式驅(qū)動單元構(gòu)成的全向小車驅(qū)動，舵機轉(zhuǎn)向構(gòu)建為一個獨立的任務(wù)有助于程序的可維護性和可擴展性。
構(gòu)建如下應(yīng)用任務(wù)：
1）主應(yīng)用任務(wù)：解析所設(shè)計的操作命令，將命令參數(shù)提取后發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行任務(wù)，并應(yīng)答。
2）電機驅(qū)動：接收執(zhí)行參數(shù)實現(xiàn)PWM電機驅(qū)動，并根據(jù)碼盤反饋實現(xiàn)調(diào)速和行走距離控制，反饋當前運行狀態(tài)給主應(yīng)用任務(wù)。
3）舵機驅(qū)動：接收執(zhí)行參數(shù)，執(zhí)行舵機操作；基于舵機特性，反饋舵機當前狀態(tài)（正在運行、已到位）。

3.2 任務(wù)（線程）間交互設(shè)計
一個任務(wù)常常需要接收多個消息，而且是來自不同的任務(wù)；為了實現(xiàn)將這些消息通過一個等待函數(shù)獲取，RTOS提供了一個方便的手段：事件組；即將若干消息匯總在一起，一個消息對事件的一位；而且等待的方式也很靈活，可以是“與”的關(guān)系，即所關(guān)注的各個消息都出現(xiàn)才觸發(fā)；也可以是“或”的關(guān)系，即出現(xiàn)任意一個消息就觸發(fā)。
事件組雖然解決了等待多個消息的問題，但所傳遞的內(nèi)容往往不夠，一個消息有時包含許多參數(shù)，如通訊命令的內(nèi)容。
為傳遞消息內(nèi)容，選擇了RTOS的另一個工具：郵箱。
郵箱只傳送一個字（4字節(jié)），很多時候也不夠，我習(xí)慣于用郵箱傳遞存放數(shù)據(jù)的指針，將要傳送的消息定義為一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過指針傳送，這樣比較靈活。
曾經(jīng)用過隊列傳輸，但需要預(yù)先確定隊列項長度，很難一次規(guī)劃到位，后期修改比較麻煩，故改用郵箱。
通過事件組和郵箱的配合，基本上可以實現(xiàn)任務(wù)間的消息交互。

3.3 任務(wù)（線程）詳細設(shè)計
3.3.1 串口接收任務(wù)
串口是作為單片機的操作輸入通道，取代傳統(tǒng)模式下的按鍵操作。通過串口命令操作單片機遠比設(shè)計實體按鍵靈活方便，而且硬件資源占用也少。
此任務(wù)要實現(xiàn)對串口命令的接收和初步解析，將命令內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給主應(yīng)用任務(wù)處理。
核心是能可靠的監(jiān)測和接收符合通訊協(xié)議的命令幀。
通訊協(xié)議的定義也是串口命令的重點，要考慮的簡潔性和可擴展性的平衡，同時要兼顧應(yīng)用場景的需求。
目前協(xié)議是參考 ROS （機器人操作系統(tǒng)）中的ROS Serial 協(xié)議設(shè)計的。因為小車有無線通訊的需求，故在協(xié)議中有相應(yīng)的通訊地址，以便在一個通道上實現(xiàn)多機通訊。
串口通訊協(xié)議如下：
字符格式： 115200 8 N 1
幀格式：（借鑒 ROS 的 ROS Serial 協(xié)議）
0xFF 0xFE（2字節(jié)幀同步字） 幀長L 幀長H 幀長校驗和 目標地址 源地址 幀數(shù)據(jù)區(qū) 幀校驗和
其中：
幀同步字 —— 2字節(jié)特征字，暫定為0xFF 0xFE，借鑒的ROS Serial協(xié)議。
幀長 —— 幀數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，不含幀校驗和、目標地址和源地址；先低后高，最大支持65535字節(jié)，實際不一定需要，但有可能超過256字節(jié)，所以用2字節(jié)。
幀長校驗和 —— 2字節(jié)幀長算數(shù)和取反，取最低字節(jié)。借鑒ROS Serial協(xié)議
目標地址 —— 接收方的通訊地址， 1字節(jié)。
源地址 —— 發(fā)送此幀的通訊地址，1字節(jié)，應(yīng)答時使用。
幀數(shù)據(jù)區(qū) —— 通訊數(shù)據(jù)，字節(jié)數(shù)為幀長
幀校驗和 —— 數(shù)據(jù)區(qū)所有字節(jié)的算數(shù)和取反，取最低字節(jié)。如果數(shù)據(jù)長度為0，則CS為0xFF。
按此設(shè)計，最短的幀為 8字節(jié)，數(shù)據(jù)區(qū)無數(shù)據(jù)，可作為心跳幀或命令應(yīng)答幀。
幀的傳輸方向由兩個地址確定，無需再設(shè)計上、下行（應(yīng)答幀）標志。

幀數(shù)據(jù)區(qū)定義如下：
Key： 操作命令，1字節(jié)
Len： 數(shù)據(jù)長度，2字節(jié)，先低后高，單位 - 字節(jié)
Val[Len] ：N 字節(jié)數(shù)據(jù)
至于 Val的數(shù)據(jù)如何定義，取決于 Key，可以定義為結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)、或者更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，也可以簡單的定義為字節(jié)、字、整形。

串口數(shù)據(jù)幀的可靠接收源于可靠的幀提取方式，因為有可能使用無線通訊（串口接無線透傳模塊即可），就存在串口接收到的數(shù)據(jù)并非都是有效的、應(yīng)該收的，需要從接收的數(shù)據(jù)流中檢出發(fā)給自己的數(shù)據(jù)幀，不能根據(jù)數(shù)據(jù)絕對位置提取。
對于從連續(xù)數(shù)據(jù)流中檢出一段符合要求的數(shù)據(jù)，使用滑窗比較方式較為可靠。
由于上述協(xié)議定義的是變長幀，無法對整個數(shù)據(jù)幀進行滑窗比較，只能基于協(xié)議，找到幀頭的特征后，再對整個數(shù)據(jù)幀接收，之后再通過校驗判斷此幀是否正確。
此處所用的幀頭特征為：同步字、幀長格式（2字節(jié)+校驗）、目標地址。

除數(shù)據(jù)幀的可靠接收外，在串口命令接收任務(wù)中，還設(shè)計了兩個操作命令：
讀內(nèi)存、寫內(nèi)存
目的是為了在小車運行過程中檢測特定變量的值，從而發(fā)現(xiàn)程序出現(xiàn)的問題，類似于在IDE環(huán)境下設(shè)置斷點，停下程序后檢查內(nèi)存變量值。
這種方式可以在程序運行中實現(xiàn)，不影響程序運行，更為真實。
將需要監(jiān)測的變量設(shè)計為全局變量或靜態(tài)變量，在編譯產(chǎn)生的 map 文件中可以查到相應(yīng)的地址，通過讀內(nèi)存操作可隨時觀察變量的變化。
由于STM32的內(nèi)存是線性的，其RAM、ROM、硬件工作寄存器均在一個地址空間，因此還可以通過讀內(nèi)存功能監(jiān)測MCU相應(yīng)硬件的工作狀態(tài)（讀取相應(yīng)寄存器值），以確定初始化是否正常，運行是否正確。
這個功能作為調(diào)試信息輸出的補充，可以使調(diào)試手段更加豐富。調(diào)試信息輸出需要預(yù)先嵌入一段代碼，而讀內(nèi)存操作可以隨時使用，只要對象不是動態(tài)變量。

寫內(nèi)存功能也是作為調(diào)試手段的補充，可以通過串口命令修改程序中的相應(yīng)變量，從而激勵程序執(zhí)行所需的操作。

讀、寫命令定義如下：
命令1（0x01）：讀內(nèi)存操作
0x01 0x05 0x00 數(shù)據(jù)地址（4byte，L-H）讀字節(jié)數(shù)（1byte）
讀取從數(shù)據(jù)地址開始的N字節(jié)數(shù)據(jù)，用于調(diào)試及故障遠程診斷。
應(yīng)答內(nèi)容：
0x01 lenL lenH 數(shù)據(jù)地址（4byte，L-H）讀字節(jié)數(shù)（1byte）數(shù)據(jù)（N字節(jié)）
數(shù)據(jù)長度len為 讀字節(jié)數(shù)+5

命令2（0x02）：寫內(nèi)存數(shù)據(jù)
0x02 lenL lenH 數(shù)據(jù)地址（4byte，L-H）寫字節(jié)數(shù)（1byte）數(shù)據(jù)（N字節(jié)）
從數(shù)據(jù)地址開始寫 N 字節(jié)數(shù)據(jù)，用于調(diào)試，及臨時性的參數(shù)設(shè)置，需要保護，以免引起程序崩潰。
應(yīng)答內(nèi)容：
0x02 0x05 0x00 數(shù)據(jù)地址（4byte，L-H）實際寫字節(jié)數(shù)（1byte）
如果寫失?。ㄋ鶎懙刂凡辉谠试S范圍內(nèi)容，或長度超過設(shè)定），則實際寫字節(jié)數(shù)為 0。

3.3.2串口發(fā)送任務(wù)
在傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)中，通常會設(shè)計顯示屏、至少是LED數(shù)碼管作為信息輸出手段；但目前多數(shù)單片機系統(tǒng)已不需要這樣設(shè)計，通過串口輸出信息，使用PC、手機這類顯示功能完善的設(shè)備作為單片機系統(tǒng)信息輸出的呈現(xiàn)手段，比LED數(shù)碼管、LCD屏更為直觀、靈活、美觀，而且占用硬件資源極少。
因程序框架是多任務(wù)方式，理論上各個任務(wù)都有輸出信息的需求，故將串口發(fā)送功能獨立設(shè)計為一個任務(wù)，可以服務(wù)于所有任務(wù)。
為減少內(nèi)存消耗，發(fā)送數(shù)據(jù)傳遞消息只傳輸存放指針，發(fā)送任務(wù)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，取出要發(fā)送的數(shù)據(jù)。串口發(fā)送速度和內(nèi)存操作相比慢很多，要發(fā)送的數(shù)據(jù)放置在各自任務(wù)中，在每次需要發(fā)送前，需要確定上次數(shù)據(jù)是否取走，以避免數(shù)據(jù)覆蓋，導(dǎo)致發(fā)送數(shù)據(jù)錯誤。

3.3.3看護任務(wù)
看護任務(wù)的設(shè)計目前只是示意性的，沒有實質(zhì)的恢復(fù)處理。因為恢復(fù)處理需要根據(jù)具體功能確定，沒有統(tǒng)一的方法。
但編好一個處理框架，后續(xù)如果需要增加相應(yīng)的處理會方便一些。

作為看護任務(wù)，除了通過和各任務(wù)交互，以確定任務(wù)是否在正常運行外，還順帶完成了運行指示功能。
多數(shù)單片機系統(tǒng)雖無需顯示器，但工作狀態(tài)指示通常都有，可直觀的反映系統(tǒng)是否在正常運行，一般是通過LED的閃爍變化呈現(xiàn)。
此處參考FreeRTOS的異常指示方式設(shè)計了LED顯示功能，正常時，LED等間隔閃爍，當發(fā)現(xiàn)某個任務(wù)異常時，按任務(wù)順序會出現(xiàn)間斷閃爍。具體方式為：
將一個完整的顯示周期定為10次閃爍，正常時一個周期閃爍10次。
如果是1號任務(wù)異常，則一個周期閃爍1次，其余9次對應(yīng)暗狀態(tài)；如果是2號，一個周期閃2次、暗8次，以此類推，最多可以支持9個任務(wù)的異常指示。

3.3.4 主應(yīng)用任務(wù)
此處主應(yīng)用任務(wù)（后面簡稱：主任務(wù)）完成：
1）解析串口接收任務(wù)發(fā)來的操作命令，根據(jù)命令將參數(shù)發(fā)給電機驅(qū)動和舵機驅(qū)動任務(wù)。
2）定時讀取電機和舵機工作狀態(tài)，以便反饋給操作者。

根據(jù)前述設(shè)計目標，定義操作命令如下：
A) 命令3：讀工作狀態(tài)命令（Key = 3，Len = 0）
0x03 0x00 0x00
應(yīng)答內(nèi)容：
0x03 0x09 0x00 電機工作參數(shù)（2字節(jié)）電機運行狀態(tài)（2字節(jié)）電機供電電壓（1字節(jié)）電機供電電流（2字節(jié)）舵機操作角度（1字節(jié)）舵機當前狀態(tài)（1字節(jié)）
電機工作參數(shù)：PWM值或速度值
電機運行狀態(tài)：剩余運行時間或距離
舵機操作角度：-90 ~ +90
舵機當前狀態(tài)：運行、到位兩個狀態(tài)

B） 命令4：PWM方式定時運行（Key = 4，Len = 5，Val：2字節(jié)電機 PWM，2字節(jié)運行時間，1字節(jié)舵機操作角度）
0x04 0x05 0x00 電機PWM（2字節(jié)） 2字節(jié)運行時間 1字節(jié)舵機角度
電機PWM：為 2 字節(jié)有符號數(shù)，-100% ~ 100%，正數(shù)前進，負數(shù)倒退，0 - 惰行，127 - 剎車，-128 - 無效PWM，不操作
運行時間：單位：秒
舵機角度：1字節(jié)有符號數(shù)。-90 ~ +90
應(yīng)答內(nèi)容：（同讀狀態(tài)命令）

C）命令5：PWM方式定距離運行（Key = 5，Len = 5，Val：2字節(jié)電機 PWM， 2字節(jié)運行距離，1字節(jié)舵機角度）
0x05 0x05 0x00 電機PWM（2字節(jié)） 運行距離（2字節(jié)） 舵機角度（1字節(jié)）
電機PWM： （同上）
運行距離：2字節(jié)無符號數(shù)，單位mm
舵機角度：同上
應(yīng)答內(nèi)容：（同讀狀態(tài)命令）

D）命令6：速度方式定時運行（Key = 6，Len = 5，Val：2字節(jié)運行速度， 2字節(jié)運行時間，1字節(jié)舵機角度）
0x06 0x05 0x00 運行速度（2字節(jié)） 運行時間（2字節(jié)） 舵機角度（1字節(jié)）
電機速度： 2 字節(jié)有符號數(shù)，單位：mm/s，正數(shù)前進，負數(shù)倒退，0 - 惰行，32767 - 剎車，-32768 - 無效速度，不操作
運行時間：2字節(jié)無符號數(shù)，單位 秒
舵機角度：同前
應(yīng)答內(nèi)容：（同讀狀態(tài)命令）

E）命令7：速度方式定距離運行（Key = 6，Len = 5，Val：2字節(jié)運行速度， 2字節(jié)運行距離，1字節(jié)舵機角度）
0x06 0x05 0x00 運行速度（2字節(jié)） 運行距離（2字節(jié)） 舵機角度（1字節(jié)）
電機速度：（同上）
運行距離：2字節(jié)無符號數(shù)，單位 mm
舵機角度：同前
應(yīng)答內(nèi)容：（同讀狀態(tài)命令）

主任務(wù)從串口接收任務(wù)獲取上述操作命令，解析后，將相應(yīng)的工作參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給電機驅(qū)動和舵機驅(qū)動任務(wù)。
讀狀態(tài)命令則由主任務(wù)完成，為提高響應(yīng)速度，兩個驅(qū)動任務(wù)定時將自身的工作狀態(tài)反饋給主任務(wù)，主任務(wù)接收并保存，以便隨時響應(yīng)讀狀態(tài)命令。
主任務(wù)等待的消息為：串口任務(wù)發(fā)來的命令、電機驅(qū)動及舵機驅(qū)動反饋的狀態(tài)、看護任務(wù)發(fā)來的詢問。
輸出的信息為：發(fā)給電機驅(qū)動及舵機驅(qū)動的解析后命令參數(shù)，發(fā)給串口發(fā)送任務(wù)的應(yīng)答信息。

3.3.5 電機驅(qū)動任務(wù)
任務(wù)需要完成：
1）PWM方式驅(qū)動電機
2）通過碼盤反饋實現(xiàn)測速
3）通過PID算法實現(xiàn)調(diào)速
4）通過碼盤反饋實現(xiàn)行走距離控制
5）通過計時器實現(xiàn)定時運行控制

輪式驅(qū)動單元的電機驅(qū)動設(shè)計了4種工作狀態(tài)：
前進、后退、惰行、剎車。

前進、后退不難理解，惰行和剎車需要說明一下：
惰行 —— 是指在停止PWM信號后，電機驅(qū)動H橋使電機線圈處于開路狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)子會由于慣性，繼續(xù)轉(zhuǎn)動到機械阻力使其停止。
剎車 —— 是指在停止PWM信號后，電機驅(qū)動H橋使電機線圈處于短路狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)子由于慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電勢形成電流，產(chǎn)生阻力，和機械阻力共同作用使其停止。

在精確控制行走距離時，應(yīng)該運用剎車功能，降低慣性產(chǎn)生的誤差。
平時待命狀態(tài)，使其處于惰行狀態(tài)，可以輕松的用手轉(zhuǎn)動輪子。

為了對應(yīng)這兩種狀態(tài)，在PWM命令參數(shù)中增加了剎車、惰行。

硬件上電機由3根信號線控制，2根控制線實現(xiàn)電機的四個狀態(tài)，一根PWM線控制電機功率。需要啟用RTT的PIN組件及PWM組件。

輪式驅(qū)動單元設(shè)計是作為編程學(xué)習(xí)素材，故刻意降低成本，碼盤是用輪轂上的齒實現(xiàn)，分辨率較低，為達到測速所需的精度，在算法上做了優(yōu)化（增加了編程的挑戰(zhàn)）。
基于正常轉(zhuǎn)動的特征：相鄰兩個脈沖的周期不會突變（排除干擾造成的脈沖丟失、抖動等異常狀況）。

擬用計數(shù)和測周期兩種方式組合，實現(xiàn)倍頻，以提高分辨率。處理方式為：
在測速周期內(nèi)，一方面對脈沖計數(shù)，得到完整脈沖的計數(shù)值。同時測量每個脈沖的周期，保存上一個脈沖的周期值（也可以保留前幾個脈沖的平均值，以提高可靠性），為計算非完整脈沖做準備。
當測速周期到時，讀取當前脈沖周期測量“已計量的時間“，除保存的“前一脈沖周期值”，即可得到非完整脈沖值 0. XX ，從而提高分辨率。
圖示如下：

通過這種方式，基本滿足了測速的需要。
測速和行走距離控制都需要啟用IO中斷。
因為測速和PID計算需要定時，但計時要求比不高，故直接使用OS的tick計時。

電機驅(qū)動任務(wù)等待的消息：主任務(wù)發(fā)來的參數(shù)、Tick定時喚醒信號。通過Tick定時喚醒實現(xiàn)周期性處理，如測速、PID調(diào)速、定時運行。
輸出為：電機的物理運轉(zhuǎn)、工作狀態(tài)反饋

3.3.6 舵機驅(qū)動任務(wù)
舵機驅(qū)動比較簡單，輸出周期為20ms的脈沖信號，脈沖寬度從1.5 ~ 2.5ms可調(diào)。
基于PWM組件即可實現(xiàn)。

舵機自身有閉環(huán)控制。但為了能反饋舵機當前狀態(tài)，主要是為了告知舵機是否轉(zhuǎn)到指定角度，需要做一些處理。

因舵機自身無反饋信號，只能根據(jù)舵機參數(shù)（響應(yīng)速度），通過計算當前角度到指定角度轉(zhuǎn)動需要多少時間，適當放寬后計時處理，計時完成則說明轉(zhuǎn)到；為連續(xù)控制提供方便。
舵機任務(wù)等待的消息為：主任務(wù)發(fā)來的參數(shù)、Tick喚醒消息。
因本身舵機完成計時精度不高，用Tick計時即可。
舵機任務(wù)輸出為：舵機物理運動、工作狀態(tài)反饋

3.4 基于RT-Thread 實現(xiàn)過程
3.4.1 工程創(chuàng)建
選擇STM32F411CE 芯片創(chuàng)建標準 RT-Thread 項目：

系統(tǒng)版本4.1.1；芯片支持包版本0.2.3；工具鏈（編譯器）版本 10.2.1。
對生成的main函數(shù)略作修改，輸出7次信息后停止輸出。
編譯通過，可以下載執(zhí)行：

說明RTT的編程基礎(chǔ)已有，軟、硬件環(huán)境已打通，可以著手根據(jù)上述設(shè)計編寫程序。

因輪式驅(qū)動單元當初設(shè)計是模塊化構(gòu)思，即可以用一個或多個構(gòu)成不同驅(qū)動方式的小車底盤，為后續(xù)用多個輪子和舵機做其它驅(qū)動方式的小車方便，故此處用C++模式，以便用類的方式簡化后續(xù)的編程，增加程序的可維護性、可擴展性。
在 RT-Thread Studio 環(huán)境下，用C++編程，除了在RT-Thread Setting中選擇C++外，如果用多文件編程，需將應(yīng)用的C程序后綴改為cpp，否則編譯出錯。
之前在兩輪差分小車驅(qū)動上嘗試過使用 RT-Thread，這次以那個程序為基礎(chǔ)修改。

3.4.2 硬件資源分配
串口命令端口：
USART1（PA9、PA10）默認給 Finsh使用。
將USART2（PA2、PA3）作為串口命令及反饋端口。

電機驅(qū)動：
PWM控制端（CT1）：PB6，使用 PWM4（Timer4）通道1（T4CH1）
工作狀態(tài)控制端（CT2、CT3）：PB5（CT2）、PB4（CT3）
脈沖反饋輸入端：PA12，中斷方式處理
電機電壓采集端：PA0，使用ADC1，通道0
電機電流采集端：PA1，使用ADC1，通道1
原來程序是驅(qū)動差分小車的，控制兩個電機，分別對應(yīng)左、右兩側(cè)。為了便于日后將程序擴展應(yīng)用到多輪驅(qū)動小車，將電機變量標識從左右側(cè)改為1、2……。目前只有一個電機，故定義為“1”。
為了實現(xiàn)倍頻測速，啟用Timer3，作為硬件計時器，獲取ns級計時。

舵機驅(qū)動：
因為舵機的控制脈沖周期為20ms，和電機不同，故需要另用一個定時器實現(xiàn)。
基于STM32F411CE的芯片引腳分配，考慮到后期可能需要驅(qū)動三輪全向小車，選擇Timer2作為舵機驅(qū)動用定時器，仍然使用PWM模式。
目前驅(qū)動一個舵機，使用PA15（T2CH1），即PWM2的通道1。
參考電機驅(qū)動方式，構(gòu)建舵機驅(qū)動類，完成：
1）將角度轉(zhuǎn)換為脈沖寬度
2）進行角度非線性修正，彌補舵機的偏差
3）根據(jù)舵機操作的運行角度，用延時方式指示舵機工作狀態(tài)。

3.4.3 編程
之前首次嘗試 RT-Thread 是做了一個兩輪差分驅(qū)動的小車程序，在上面完成了電機驅(qū)動、測速、調(diào)速，以及一直想實現(xiàn)的PID自整定；控制效果不錯，基本達到了預(yù)期。

這次以兩輪差分驅(qū)動的程序為基礎(chǔ)，修改為舵機轉(zhuǎn)向單輪驅(qū)動小車的驅(qū)動程序，電機驅(qū)動部分基本照搬，增加了舵機驅(qū)動部分。
因為后面還想嘗試使用 RT-Thread 驅(qū)動3輪全向小車，所以保留了電機驅(qū)動用類的方式，同時將舵機驅(qū)動也做成類，這樣后面做三輪小車就很方便了。

同樣，為方便測試，基于以往的程序，修改為此處所需的PC端測試程序（基于Processing編寫）：