[提要] 这一系列文章主要是为了帮助初学者入门，借助“寻迹小车”这个项目逐步进入嵌入式控制领域。
本篇主要涉及H桥的软件驱动设计。
       前面已完成了各部分的硬件设计，从本篇开始着手各部分的软件设计。

六、控制部分软件设计

       因为在硬件设计中，将电机驱动和逻辑控制分成了两个独立的模块，所以在软件设计时也将分别设计。

6.1 电机驱动模块软件设计

       根据前面的硬件设计，电机驱动模块可以独立成为一个智能的功率驱动器使用，在硬件的设计中考虑了可以支持多种控制信号。但在目前的项目中，拟使用串口控制方式，以下的软件设计是基于这个前提的。

6.1.1 软件要实现的功能

    1）接收并解析控制命令；
    2）使电机有良好的驱动特性，可正、反转动，且转动平稳、有力；
    3）可靠的获取转速反馈信号；
    4）根据反馈信号使用有效的控制策略使电机达到所需的转速；
    5）利用码盘的反馈信号控制行走距离；
    6）可以根据命令实现电机的特殊运行状态：刹车、惰行。

       在上述功能中，真正影响驱动器性能的是第二项（驱动特性）和第四项（控制策略）。虽然通常认为控制策略最重要，在自动控制中所着笔墨最多，但是在我们这个项目中，因为电机特性不是十分理想，驱动又是通过软件完成的，这两部分组成的执行机构如果没有良好的特性，那有再好的控制算法、策略也无法实现良好的电机驱动。

6.1.2 概要设计

      根据要实现的功能，软件分为以下几个部分：

    命令接收解析 —— 完成命令接收，命令内容解析；
    电机PWM驱动 —— 根据电机控制参数产生驱动信号，使电机进入期望的运转状态；
    速度反馈 —— 读取码盘信号，计算出速度数据，兼完成计数功能，实现行走距离控制；
    控制策略 —— 根据命令给出的数据和反馈得到的数据计算出电机控制参数，实现速度控制；

       电机驱动实际上构成了一个典型的自动控制系统：

       其中的“PID调节器”由软件的控制策略部分实现，驱动器硬件只提供了电流的开关、放大功能，而主要的驱动特性实现是由软件中电机PWM驱动完成。

       这样设计使得系统的灵活性增强，同时便于学习者掌握控制的实质，领会其中的奥妙。

       软件总体框架采用消息驱动方式，根据消息作相应的处理，消息多数由中断产生，如：接收到串口数据、码盘光电采样中断等，对于没有中断源的信号，由系统的时基产生的中断定时查询、处理。

       电机驱动所需的PWM信号在中断服务程序中完成，因为需要比较准确的脉冲宽度和周期。
虽然硬件设计上考虑了许多扩充功能，但是在目前的寻迹小车项目中不是都需要，所以在此对于脉冲输入只处理一个主速度检测脉冲，主方向、跟踪测速脉冲、方向等功能留到有具体需求时再做考虑。

       无线模块的控制也是留作日后有需求时再作考虑。

       测速用码盘用CAD 软件绘制后打印在纸上，然后用双面胶贴在轮毂上，使用反射式光电采样器采样。我所设计码盘如下：

       因为码盘的分辨率较低，所以采用测周期的方式来得到转速。如果按照正常的脉冲测量方式，采集一个跳变沿，那这个码盘一圈只能得到10个数据，为了提高性能，利用了STC12C54XX 单片机PCA模块的正、负跳变均能中断的特性，一周可获取20个数据。为了避免脉冲的占空比不等带来的问题，采用正跳对正跳、负跳对负跳的测量方式。

      程序的流程如下：

6.1.3 详细设计

6.1.3.1 命令接收及解析

       在硬件设计上虽然考虑了多种控制的可能，那是为了日后这个硬件可以满足不同的需要，而目前的设计使用串口控制。

       考虑到这个小车要使用两个驱动电机，所有在串口的连接上采用并接方式，即将两个电机驱动器的接收端RXD、发送端TXD并联，RXD并联没有问题，而 TXD端并联必须将口特性置为标准51口（有内部弱上拉电阻的准双向口），以保证口输出的正常，同时通过协议保证不同时发送。

       并接后的串口相当于一个设备，接受逻辑控制部分的命令。

       基于这样的设计，通讯协议设计如下：

    帧格式：
    帧头（2字节）  帧长（1字节） 命令字（1字节） 数据区（N字节）校验和（1字节）

    其中：
    帧头 —— 0x55  0xAA
    帧长 ——  命令字 + 数据区的长度
    命令字 ——

    0x01 ：电机转动控制参数，开环模式，电机的PWM值、转动持续脉冲数；
    0x02 ：电机转动控制参数，闭环模式，电机的转速、转动持续脉冲数；
    0x03 ：电机工作参数，PWM频率、PID参数

    数据区 ——

    命令01：电机1数据（2字节PWM值，2字节转动持续脉冲数）电机2数据（2字节PWM值，2字节转动持续脉冲数），共 8字节；
    命令02：电机1数据（2字节转速值，2字节转动持续脉冲数）电机2数据（2字节转速值，2字节转动持续脉冲数），共 8字节；
    命令03：2字节PWM频率，2字节比例系数，2字节积分系数，2字节微分系数，2字节PID系数的分母， 共10字节，两个电机驱动器相同；

    校验和 —— 从命令字开始到数据区结束所有字节的算术和的反码，取低字节。

    上述数据中，PWM值，速度值、PWM频率、PID系数等定义如下：

    PWM值 —— 2字节有符号数，正对应正转，负对应反转，数值为占空比的百分数，取值范围：- 1000 ——  +1000， 对应 0.1% ~ 100%；1001为电机“惰行”，1002为“刹车”；
    转动持续脉冲数 ——  2字节无符号数，0 表示连续转动；
    转速值 —— 2字节有符号数，正对应正转，负对应反转，单位为：0.1转/每分钟；取值范围：- 10000~ +10000，10001为电机“惰行”，10002为“刹车”；
    PWM频率 —— 2字节整数，单位Hz，取值范围：200 – 2000；因为不同的电机所需的PWM 频率不同，需要通过测试确定，所以考虑了此参数；
    PID系数 —— 均为 2字节无符号数；
    PID系数分母 ——  2字节无符号数，为避免使用浮点数而增加了此参数，实际作用的PID系数为上述值除此值；如：比例系数为190 ，PID分母为200，实际比例系数为0.95。

       以上所有2字节数据均为先低后高顺序发送。

       暂时不设计应答帧，因为一帧命令包含了两个电机的驱动数据。

       通讯数据格式为：19200bps  8  N  1。此时，一帧数据约占 7ms。


       数据接收缓冲区采用环形结构，为了节省指针运算的时间，缓冲区长度设为 32字节，对应指针变量的低5位。

       设置2个数据指针处理，一个存数指针负责将接收到的字节填入缓冲，一个取数指针负责取出填入的数据。初始化时两个指针相等，当收到数据时，在存数指针指向的缓冲区位置填入数据，而后指针加一，指向下一位置，此时两个指针不再相等，产生收到数据消息。

        为减少中断服务占用的时间，在串口中断中只将收到的数据填入接收缓冲区，不做任何处理。

        主程序根据两个指针是否相等判断是否收到数据，因为缓冲区足够接收完整个数据帧，所以，接收处理时先判断是否收到了“帧头”，之后根据“帧长”设定一个帧尾指针位置，等到存数指针等于帧尾指针时，再将数据帧一起取出，进行校验和判断，如果正确，根据命令字解析数据区，取出相应的参数。

        具体实现过程参见所附程序。


6.1.3.2 电机PWM驱动

       根据《电动机的单片机控制》中对直流电机驱动的描述，同样的H桥电路，使用不同的控制信号，可以实现两种不同的控制方式，其一是“双极性可逆PWM驱动”，其二是“单极性受限可逆PWM驱动”。

       对于“双极性可逆PWM驱动”方式，电机在一个PWM周期中通过相反的电流，正转、停止、反转取决于两个方向电流的持续时间，如果相等则为停止。这个方式的好处是低速稳定，启动快，但是耗电大。

       对于“单极性受限PWM驱动”方式，电机在一个PWM周期中的电流是同方向的，驱动电机的功率大小取决于电流的持续时间，也就是说在一个PWM周期中，电机的电流有为“0”的时候，称之为“断流”现象。无疑，这种方式在PWM值较小时断流的时间就较长，电机运行就不稳定，也就是低速性能不好，但是由于没有反向电流消耗，所以耗电少。
（对于这部分的描述请仔细阅读书中相关章节）

        基于这样的原理，拟采用如下控制方式：
        在PWM控制值小于30%（此值调式时再作调整）时，采用“双极性可逆驱动”，大于30% 则采用“单极性受限可逆驱动”。

        为了可以获得最好的电机驱动特性，将PWM周期设计为可变，这样在调试中可以找到合适的工作参数。

         具体实现方法为：

        设置如下变量：
        FirstHalf —— 位，前半周标志，为“0”表示处在PWM周期的后半周；
        FirstOut —— 字节，前半周电机控制输出字，控制H桥的导通和截止；
        SecondOut —— 字节，前半周电机控制输出字，控制H桥的导通和截止；
        FirstTime —— 字（2字节），前半周持续时间；
        SecondTime —— 字（2字节），后半周持续时间；

         在程序中设置“计算电机控制参数”标志，当PWM的数据变化时，则建立此标志，根据PWM的值及PWM的周期计算出上述数据：

        先根据PWM的值判断应当处于哪种驱动模式。


        如果是“单极性受限PWM驱动”模式，则直接根据PWM值和PWM的频率即可计算出前、后半周期持续时间。然后再根据转动方向给出电机输出控制字。

        如果是“双极性可逆PWM驱动”模式，根据PWM值、转动方向、PWM频率计算出钱后半周的持续时间，其前、后半周的电机输出控制字不随转动方向变化，其转动方向由前、后半周持续时间的比例决定。

       基于前面设计的硬件电路，控制引脚对应关系如下：

    P2.4 - CTL 2,  H 桥的左下臂，1 电平输出导通， 0 电平输出截止
    P2.5 - CTL 1,  H 桥的左上臂，0 电平输出导通， 1 电平输出截止
    P2.6 - CTL 3,  H 桥的右上臂，0 电平输出导通， 1 电平输出截止
    P2.7 - CTL 4,  H 桥的右下臂，1 电平输出导通， 0 电平输出截止
    （注：上面的1、2顺序颠倒是由于PCB排版造成的。桥臂的位置描述是根据原理图的位置表述的。）

电机控制逻辑:

       电机的控制输出用PCA3的中断产生，将PCA3设为“16位软件定时器”模式，通过在中断中不断加载比较器的内容实现PWM输出。因为对应最高 2000Hz的PWM频率，一个周期持续时间只有500us，时间很短，所以将PCA置为高级中断，以消除中断响应滞后带来的偏差。同时简化中断的处理，使中断服务时间尽量短，以保证其它程序功能正常。

       “计算电机控制参数”标志的建立有两个来源，一个是串口所发的开环控制命令，二是闭环模式下PID控制所产生。这样设计可以方便的使电机驱动器工作于不同的模式。
具体实现细节见程序。

      到此，电机驱动器已可以作为常见的“调功方式”电机驱动器使用了。速度反馈和PID闭环控制下一篇叙述。

（未完待续）

附件：

1）电机驱动模块程序压缩包8914230192553.rar
含：

    MotorDrv.c    C51程序
    STC12C5410AD.H      STC12C54XX的C语言头文件，内有所有SFR的定义
    Port_Def.H    对应硬件设计的I/O口变量定义
    constant.H    程序中硬件初始化参数、符号化常量的定义
    Motor_Var.H   程序中全局变量的定义

注：程序只通过了编译，还未调试，所以会有不妥之处，仅供参考。

参考资料：


1）STC12C54XX  数据手册
2）《电动机的单片机控制》王晓明编著  北京航空航天大学出版社

(20060809)