基于ucosii的车载电控单元

标签：ucosii task 中断 void 车载 STK TIM1 电控 OS

一、项目简介

通过利用STM32F103C8、直流电机、按键、us015超声波测距模块、MPU6050、蜂鸣器、TFLCD、霍尔传感器等硬件设计一个车载电控单元，实现了手动加档、实时显示车速、超声波避障预警、车身倾斜预警以及更新固件功能，以保证行车安全。

二、项目框架

三、硬件选型以及实现思路

1.电机驱动

这里我采用的是360°的SG90舵机来模拟车轮电机。其工作原理是靠PWM驱动实现变速。该舵机实际上由一个直流电机和驱动电路组成，它不像180°舵机那样可以实现控制角度，它只能实现控制方向、速度和停止。其对照关系图如下：

因此，根据上述工作原理，我采用了两个按键来分别实现正向的加速过程和反向的加速过程，如果到达最高速度，此时继续按下，会到最低速度。

2.测速驱动

这是通过A3144霍尔传感器模块来实现测量电机转速的。A3144只对单磁极有效，其磁场阈值为7mT,这个模块由霍尔传感器和电压比较器组成，其电路图如下所示：

那么要想了解上图的工作原理，首先我们要知道什么是霍尔效应。霍尔效应是指在一个导体两端，接上电流，此时给这个导体施加垂直与电流的磁场，由于洛伦兹力，电子会往导体一侧偏转，造成导体两侧有电压差，这个电压叫做霍尔电压。因此，只要我们用一个磁铁靠近霍尔传感器，这个传感器就能将磁场的变化转变为电压的变化，而我们的电机里边是有永磁铁的，因此我们就能通过霍尔传感器来检测电机转动时候的磁场变化。而通过官方手册，我们发现A3144霍尔传感器在磁场强度高于本身的磁场阈值时，会输出一个低电平信号。也就是从上图的U2处输出一个低电平，此时经过一个比较器，当这个低电平电压小于2.5v时，会输出0，此时会点亮D3二极管，代表检测了一次磁场。因此，我们只要将这个霍尔传感器靠近电机的最高点，当转动一圈后电机的永磁铁S极经过这个电机最高点的时候，就可以检测到此时电机的磁场变化，并将其转为为低电平，那么我们就可以利用下降沿触发中断，在外部中断里边进行计数，同时通过定时器中断1s去看此时1s有多少个计数值，然后再乘以60，即为一分钟的转速。

3.us015驱动

在此处我们选用us015作为避障预警模块，其工作原理是trigger引脚发出一个10us以上的电平。然后此时系统就会发出超声波脉冲，然后系统开始检测回波信号，当检测到了回波信号以后通过echo引脚输出。而根据echo引脚输出的高电平持续时间可计算出距离。其公式为（高电平时间*340）/2。因此，我们从中就可以知道，需要创建一个us015任务来不停发出10us高电平信号。然后通过定时器捕获功能来获得返送回来的高电平脉冲宽度。其中，需要注意的是，对于启动任务，我们至少在该任务中添加1s的延时，这是因为，如果启动信号的频率过快，会导致返回的高电平频率过快，从而导致进入捕获中断的频率过快，会使得CPU资源耗尽导致程序跑飞。

4.MPU6050驱动

对于利用MPU6050模块来测量车身倾斜度，我们需要得到欧拉角数据就够了。因此实际上我们只需要移植mpu6050的初始化文件以及DMP的初始化文件就够了，但是，移植过程中需要注意的是，接口问题。由于我们用的是软件来模拟iic，因此我们将输出模式配置成推挽输出就行。其次，有一个坑，就是下载程序的时候记得在DEBUG里边用use stlink模式，而不是用仿真器模式，否则会出现iic时序错误，导致mpu6050初始化失败问题。

5.IAP的bootloader程序

最后说一下IAP任务，该任务主要实现三个功能，接收、拷贝、跳转。在此处的接收步骤，我们采用DMA来接收串口数据，从而节省CPU资源。在此处我给出大概的程序框架，因为c8t6的资源受限，已经无法添加IAP的更新任务了。首先是串口以及DMA的初始化。其中，需要注意的是根据手册，要想开启串口的DMA传输，需要使能串口CR3寄存器的DMAR位才能开启DMA接收，因此需要在串口初始化程序中加入以下代码：USART_DMACmd(USART1,USART_DMAReq_Rx,ENABLE); //使能串口1的DMA接收

将DMA初始化以后，创建IAP任务，并且在任务里边加入等待信号量，开启串口中断，在串口中断函数里边只写入释放信号量。如此，当检测到串口接收到数据时，进入中断，然后切换到IAP任务，此时在IAP任务里边开启一次DMA传输，然后去检测定义的内存变量是否有值，如果有值，代表已经接收到APP程序，此时调用写flash函数将APP程序拷贝到flash区，然后调用跳转函数。

其他的驱动比较简单，略过。

四、主程序代码

UCOSII任务设置///
//START 任务
//设置任务优先级
#define START_TASK_PRIO             10 //开始任务的优先级设置为最低
//设置任务堆栈大小
#define START_STK_SIZE                 64
//任务堆栈
OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE];
//任务函数
void start_task(void *pdata);

//电机正向转动任务
//设置任务优先级
#define PWM_TASK_PRIO 7
//设置任务堆栈大小
#define PWM_STK_SIZE 64
//任务堆栈
OS_STK PWM_TASK_STK[PWM_STK_SIZE];
//任务函数
void pwm_task(void *pdata);

//电机反向转动
#define Re_TASK_PRIO                           6
#define   Re_STK_SIZE                               64
OS_STK   Re_TASK_STK[Re_STK_SIZE];
void    reverse_task(void *pdata);

//电机转速显示任务
#define Motoshow_task_prio                4
#define Motoshow_task_size                   64
OS_STK   Motoshow_task_stk[Motoshow_task_size];
void Motoshow_task(void *pdata);

//us105测量距离任务
#define us105_task_prio        5
#define us105_task_size                           128
OS_STK   us105_task_stk[us105_task_size];
void us105_task(void *pdata);

//us_015启动任务
#define st_task_prio 9
#define st_task_size 32
OS_STK st_task_stk[st_task_size];
void st_task(void *pdata);

//MPU6050测量倾斜角度任务
#define mpu6050_task_prio                       8
#define   mpu6050_task_size                       512
OS_STK   mpu6050_task_stk[mpu6050_task_size];
void mpu6050_task(void *pdata);

//定义需要用到的全局变量
//OS_EVENT *Bsem;
//OS_EVENT *email;
OS_EVENT *sig1;
OS_EVENT *sig2;
OS_EVENT *sig3;
OS_EVENT *sig4;
led_d led1;
led_d bep;
led_d us;
volatile u8 flag=8;
volatile u8 mark=8;
volatile u32 rate=0;
volatile u32 buff;
volatile u8 STA=0;
volatile u16 PluseWidth;
u32 num;

int main(void)
{
   delay_init();   //延时函数初始化
   NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级
   MPU_Init();
   mpu_dmp_init();
   LED_Init(&led1,GPIOC,GPIO_Pin_13);           //初始化与LED连接的硬件接口
   Beep_Init(&bep,GPIOB,GPIO_Pin_15);
   us105Init(&us,GPIOA,GPIO_Pin_12);
   TIM3_PWM_Init(99,14399);
   TIM2_Int_Init(4999,14399);
   TIM1_Cap_Init(84,71999);//计数频率也不能太高，否则程序也会跑飞，因为会频繁触发中断占用cpu资源
   EXTIX_Init();
   LCD_Init();
   uart_init(115200);
   OSInit();
    OSTaskCreate(start_task,(void *)0,(OS_STK *)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO );//创建起始任务
   OSStart();
}


//开始任务
void start_task(void *pdata)
{
OS_CPU_SR cpu_sr=0;
   pdata = pdata;
   //Bsem=OSSemCreate(0);
   sig1=OSSemCreate(0);
   sig2=OSSemCreate(0);
   sig3=OSSemCreate(0);
   sig4=OSSemCreate(0);
   //email=OSMboxCreate((void *)0);
OS_ENTER_CRITICAL();           //进入临界区(无法被中断打断)
    OSTaskCreate(pwm_task,(void *)0,(OS_STK*)&PWM_TASK_STK[PWM_STK_SIZE-1],PWM_TASK_PRIO);   //而R0寄存器是堆栈指针PSP，如果PSP=0，代表任务第一次进行任务切换，所以
   OSTaskCreate(reverse_task,(void *)0,(OS_STK*)&Re_TASK_STK[Re_STK_SIZE-1],Re_TASK_PRIO);
   OSTaskCreate(Motoshow_task,(void *)0,(OS_STK*)&Motoshow_task_stk[Motoshow_task_size-1],Motoshow_task_prio);
   OSTaskCreate(us105_task,(void *)0,(OS_STK*)&us105_task_stk[us105_task_size-1],us105_task_prio);
   OSTaskCreate(st_task,(void *)0,(OS_STK*)&st_task_stk[st_task_size-1],st_task_prio);
   OSTaskCreate(mpu6050_task,(void *)0,(OS_STK*)&mpu6050_task_stk[mpu6050_task_size-1],mpu6050_task_prio);
   OSTaskSuspend(START_TASK_PRIO);   //挂起起始任务.
   OS_EXIT_CRITICAL();               //退出临界区(可以被中断打断)
}

//电机正向转动任务
void pwm_task(void *pdata)
{   u8 err;
   while(1)
   {
       OSSemPend(sig1,0,&err);
       TIM_SetCompare3(TIM3,flag);
   }
}
//电机反转任务
void reverse_task(void *pdata)
{
   u8 err;
   while(1)
   {
       OSSemPend(sig2,0,&err);
       TIM_SetCompare3(TIM3,mark);
   }
}

//电机转速显示任务
void Motoshow_task(void *pdata)
{
   u8 err;
   while(1)
   {
       OSSemPend(sig3,0,&err);
       buff=rate;
       Show_Str(0,80,BLUE,WHITE,"Speed:00r/min",16,0);
       LCD_ShowNum(0+6*8,80,60*buff/2,2,16);
       rate=0;
   }
}

//us105测量距离任务
void us105_task(void *pdata)
{
   u8 err;
   while(1)
   {
       OSSemPend(sig4,0,&err);
       if(STA&0x80)
       {
           num=0.005*340*PluseWidth;
           Show_Str(0,60,BLUE,WHITE,"juli:00cm",16,0);
           LCD_ShowNum(0+5*8,60,num,2,16);
           if(num<=5)
           {
               Beep_on(&bep);
               led_on(&led1);
               TIM_SetCompare3(TIM3,8);
           }
           else
           {
               led_off(&led1);
               Beep_off(&bep);
           }
           STA=0;
   }
   }
}

//us-015启动任务
void st_task(void *pdata)
{
   while(1)
   {
       us105_Start(&us);
       delay_ms(1000);//这个延时一定要加，因为这是us015的触发信号，但是触发信号的频率越高，输出的脉冲频率也越高，导致进入中断的频率也会越高，会让中断过于频繁，让cpu资源耗尽
//导致程序跑飞，当我延时了1s时，此时显示距离都很正常了。
   }
}

//mpu6050测量倾斜角度任务
void mpu6050_task(void *pdata)
{
   float pitch,roll,yaw;
   int tmp;
   while(1)
   {
       if(mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw)!=0)//防止FIFO队列溢出，队列溢出是指你处理的速度过慢，导致你处理的跟不上人家发送过来的速度，就会堆积在缓冲区，造成缓冲区堵塞
       {//因此建议把延时弄低一些，加快处理速度。
           tmp = roll * 10;
           if (tmp < 0)
           {
                   tmp = -tmp;
                   Show_Str(0,40,BLUE,WHITE,"angle:-00.00d",16,0);
                   LCD_ShowNum(0+7*8,40,tmp/10,2,16);
                   LCD_ShowNum(0+10*8,40,tmp%10,2,16);
           }
           else
           {
                   Show_Str(0,40,BLUE,WHITE,"angle:00.00d",16,0);
                   LCD_ShowNum(0+6*8,40,tmp/10,2,16);
                   LCD_ShowNum(0+9*8,40,tmp%10,2,16);
           }
           if(tmp>45)
           {
                   TIM_SetCompare3(TIM3,8);
                   Show_Str(0,20,BLUE,WHITE,"Cuation!",16,0);
           }
           else    LCD_Fill(0,0,128,35,WHITE);
           delay_ms(300);//延时尽量短，保证读取数据的频率足够高，否则时间长了会看不到数据变化和FIFO溢出,最高延时不能超过300ms
       }
   }
}

void EXTI1_IRQHandler(void)//外部中断1,对应蜂鸣器按键，按下加速
{
       OSIntEnter();
       delay_ms(10);
       if(KEY0==0)
           {
               flag-=1;
               if(flag<3)
               {
                   flag=8;
               }
               Show_Str(0,100,BLUE,WHITE,"Gear:",16,0);
               LCD_ShowNum(0+5*8,100,flag,2,16);
               OSSemPost(sig1);
           }
       EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
       OSIntExit();
}

void EXTI15_10_IRQHandler(void)//外部中断PB12,PC14用于控制电机反转/电机转速计数
{
       OSIntEnter();
       delay_ms(10);
   if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line12)!=RESET)
   {
   if(KEY1==0)
   {
               mark+=1;
               if(mark>13)
               {
                   mark=8;
               }
               Show_Str(0,120,BLUE,WHITE,"Gear:",16,0);
               LCD_ShowNum(0+5*8,120,mark,2,16);
               OSSemPost(sig2);
   }
       EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line12);
   }
   if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line14)!=RESET)
   {
       if(KEY2==0)
       {
           rate++;
       }
       EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line14);
   }
       OSIntExit();
}

void TIM2_IRQHandler(void)//定时器中断函数，定时1s计算此时的转速,需要注意的是中断函数里边不能写太复杂的东西，不然就会被卡住
{
   OSIntEnter();
   if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) //检查 TIM2 更新中断发生与否
   {
           TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update ); //清除 TIM2 更新中断标志
           OSSemPost(sig3);
   }
   OSIntExit();
}

//以下是us105测距模块，捕获传回来的高电平脉冲,捕获中断
void TIM1_CC_IRQHandler(void)
{
   OSIntEnter();
    if((STA&0X80)==0)//还未成功捕获
   {
       if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_CC1) != RESET)//捕获1发生捕获事件
           {
               if(STA&0X40)       //捕获到一个下降沿
               {
                   STA|=0X80;       //标记成功捕获到一次高电平脉宽
                   PluseWidth=TIM_GetCapture1(TIM1);
                   TIM_OC1PolarityConfig(TIM1,TIM_ICPolarity_Rising); //CC1P=0 设置为上升沿捕获
               }else                                 //还未开始,第一次捕获上升沿
               {
                   STA=0;           //清空
                   PluseWidth=0;
                   TIM_SetCounter(TIM1,0);
                   STA|=0X40;       //因此程序实际上是等到上升沿中断的时候，在此处主动把这个比寄存器的值变成不是0的
                   TIM_OC1PolarityConfig(TIM1,TIM_ICPolarity_Falling);       //CC1P=1 设置为下降沿捕获
               }
           }
    }
   OSSemPost(sig4);
TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_CC1); //清除中断标志位
   OSIntExit();
}

五、调试记录

转速显示功能不能放在定时器中断函数里执行，因为太过复杂，会导致程序卡住。
针对转速实时显示，在进入定时器中断函数以后，此时电机持续转动，但是由于在定时器中断函数里边加入了清零计数器操作，会导致转速数据丢失，因此采用双缓冲技术，此时引入另外一个缓冲变量buffer，用于保存当前计数值，再将当前计数值清零，显示buffer。并且需要注意，buffer和计数器都应该用volatile关键字声明，这是因为计数器属于中断函数中的非自动变量，需要重新取值。再加入双缓冲技术以后，还是会出现变成0的情况，因此我在硬件上再加入一块磁铁，计算的时候除以2，这样既保证了实时更新，也变得稳定了许多，但是目前还是会出现速度会跳变的情况，原因估计是抖动问题，我已经加了消抖功能，但是好像不能完全消抖。
针对us105模块的使用，不存在定时器溢出的情况，因为根据其手册，最长距离也就80ms的高电平脉冲，因此不用在捕获中断函数中添加定时器中断溢出的情况。
在us015中，使用的是TIM1高级定时器来进行输入捕获，但是当我开启TIM1的中断时，输入TIM1_IRQn却出现了报错，这是由于TIM1是高级定时器，因此不像普通定时器那样只有一个普通中断，高级定时器分为四个中断：TIM1_BRK_IRQn = 24, /*!< TIM1 Break Interrupt */

TIM1_UP_IRQn = 25, /*!< TIM1 Update Interrupt */

TIM1_TRG_COM_IRQn = 26, /*!< TIM1 Trigger and Commutation Interrupt */

TIM1_CC_IRQn = 27, /*!< TIM1 Capture Compare Interrupt */此处我们只用到捕获中断，因此只需要开启捕获中断即可。

首先是us015没有工作，然后在线调试利用逻辑分析仪发现triger引脚没有重复输出10us以上的电平，随后新创建一个任务重复输出高低电平，接下来发现程序能正常运行，但是程序很容易跑飞，需要复位才能正常运行。查了一下结果发现，是中断触发太平繁，计数频率太高，与霍尔传感器的计数频率一致，导致cpu资源耗尽，而且lcd屏幕显示数字过快，此时我降低输入捕获计数频率为1000hz，此时依然会让程序跑飞，捕获中断触发的还是过于频繁，在lcd屏幕上显示的距离数字跳动的都看不清也能说明这一点，最后我发现是由于us015触发任务的问题，原因就是我在这个任务里没有添加延时，导致触发信号的发送频率过高，由此会引起输出回冲波的频率过快，从而导致捕获回冲波频率过快，由此引起中断进入频繁，最后导致CPU资源耗尽，程序跑飞。因此，我们只需要在us015触发任务里加入1s的延时，降低触发信号的输入频率，即可解决上述问题。
关于MPU6050倾斜测量功能，当我将mpu6050焊接好了以后，移植iic以及dmp的代码进去以后，发现没有iic信号，mpu初始化失败。首先检查接口的问题，我用的是PB11,PB10接口，这是用软件iic来进行模拟，因此，只需配置成推挽输出模式即可，其他方式不能出iic信号。其次是头文件，因为SDA线，在读和写情况下，io口模式不同，因此这都是在头文件中对其寄存器进行更改的，我们可以看到io口的寄存器由于是8-15接口，因此寄存器是CRH，注意一个io口为4位，因此配置成GPIOB->CRH&=0Xffff0FFF,GPIOB->CRH|=3<<12就是将其配置成推挽输出模式，具体可以看手册。其次，再弄好接口以后，烧录进去还是初始化失败，这个问题卡了一两天，才发现是调试的问题，也就是说如果在keil中的Debug菜单下选择的是use simulator的方式，此时会导致初始化失败，如果你选择的是use stlink的方式。此时程序会正常运行，这里一定要注意这个坑。查了一下，这是因为软件模拟没法完成的模拟出iic时序，但是我们遇到问题的时候又得用软件模拟得方式去看逻辑分析仪的iic波形，因此导致了这样的结果。因此当我们用iic接口的时候，一定要注意debug下用stlink而不是simulator!最后，在所有初始化成功以后，dmp还是没有检测到欧拉角，数字一直为0，去百度了一下，发现是FIFO溢出导致的，也就是说你处理数据的速度赶不上发送速度，会导致FIFO缓冲区堵塞，接收不到新数据。因此需要将延时缩短，增加处理数据的频率，并且如果你延时大于300ms，此时无论你怎么倾斜，也看不到角度的变化。

六、运行效果

ECU

标签：ucosii,task,中断,void,车载,STK,TIM1,电控,OS
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