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作者：Hanker

前面已完成了车的主体，控制部分中的电机驱动器设计和轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计，从本篇开始着手各部分的软件设计。

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。

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：

1. 命令接收解析 ―― 完成命令接收，命令内容解析；
2. 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；
3. 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；
4. 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：

多个子程序流程图

主流程图

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