如何使用STM32F407VGT6的6路PWM输出通道来控制6个舵机的运动？

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通常的机械臂都是由多路舵机组成，我使用的是某宝上（并不）常见的五自由度机械臂（尽管商家称它为六自由度）。
这里使用STM32F407VGT6的6路PWM输出通道来控制6个舵机的运动，树莓派（上位机）通过USB转TTL模块与STM32进行串口通讯
PWM舵机控制原理

标准的 PWM 舵机有三条控制线，分别为:电源、地及信号线。





市面上大多数180°舵机需要的PWM波周期通常为20ms，高电平接收时间通常为0.5 ~ 2.5ms，对应舵机旋转角度为0 ~ 180°。用PWM波控制舵机时，只需将时钟的周期设置为20ms（50Hz），并且通过改变比较值pulse改变PWM波的高电平时间来控制舵机旋转的角度.
STM32CubeMx主要配置

对于STM32，我使用的是STM32CubeIDE + Mx 进行开发。时钟框图为默认配置，如图。





TIMER

由于需要控制6个舵机，我选择了TIM3（4路PWM输出）和TIM9（2路PWM输出）。
PWM输出的频率由时钟APB2决定，由时钟框图可知此处的APB2频率为16MHz；PWM波频率计算公式为：
W = APB2 / (PSC + 1)(ARR + 1)
其中PSC为分频系数，ARR为自动重装载值。这里我将PSE设置为39，ARR设置为7999。





注意，这里的计数模式(Counter Mode)不同时，会导致接下来比较值值相同时舵机的旋转方向不同。
由于PWM波高电平时间需控制在0.5 ~ 2.5ms内，所以各PWM通道的比较值（pulse）必须控制在200 ~ 1000之内; （8000 x 0.5 / 20 = 200）（8000 x 2.5 / 20 = 1000）
当舵机旋转角度为90°时，pulse值应为600。这里我将各个PWM输出通道的比较值均设置为600。





由于我手头上的机械臂中的一个舵机用于控制机械爪，其为90°舵机，所以在配置控制该舵机的PWM通道时，比较值范围仅能为200 ~ 600，中间值为400我使用的单片机为STM32F407VGT6，其TIM3和TIM9所对应的PWM输出通道分别为PA6, PA7, PB0, PB1和PE5, PE6。
这里只需将这些IO口设置为复用推挽输出以及上拉即可。





串口配置

这里我选择USART_2用作串口通讯，其Tx与Rx分别对应为PA2、PA3。
串口的配置如图所示。




这里使用异步通信模式，注意波特率等参数需与上位机相匹配。





PA2与PA3均设置为复用推挽输出，上拉。
中断控制

由于这里我只使用了串口接收中断，所以NVIC这里可以不用配置；若STM32除了控制机械臂外还有其余任务，则可能需要配置NVIC。
STM32CubeIDE代码实现

在STM32CubuMx配置完毕并生成工程之后，我们的主要任务只有设计上位机与单片机的通讯协议，以及完成串口接收中断函数即可。
通讯协议设计

我初步的设计为串口发送一次数据，控制单个舵机的角度；所以发送的数据中需要包括舵机的编号以及舵机的目标角度（或者由角度转换而成的比较值）。
在这里我没有设计通讯头以及对舵机转速的控制，因为这里我的串口只用于传输控制舵机的指令，以及我使用的是小型舵机，其转速并不是很快，可以满足我的要求，无需控制其速度。
设计思路如下：
上位机每次发送16位的数据（2个uint8_t类型，串口只能发送字符），舵机编号为0~5，发送的pulse值为 (200 ~ 1000) - 200，将舵机编号数值乘以1000加上pulse值减去200得到一个uint16_t类型的数值；再将其转换为十六进制进行发送。
例：对3号舵机进行操作，角度为45°。
数据处理：
3 x 1000 + (45° / 180°) x 800 = 3200；
3200转换为十六进制为：0x0C80。
STM32进行逆向操作得到原数据。
——————新增——————
可以使用C语言共同体union，无需复杂的数据类型转换（当时不知道这个东西…）

STM32代码实现
由于串口发送的是两个uint8_t类型的数据，所以在解码之前还需将两个uint8_t类型数据转换为一个uint16_t类型的数据。


在打开USART2的接收中断时，设置为接受到两个uint8_t类型的数据进入接收中断，以便于在接收中断处理函数中进行数据处理。


uint8_t pulse[2];
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, pulse, sizeof(pulse));


串口接受中断函数代码如下：






void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if(huart->Instance == USART2)
{
uint8_t rec0, rec1;


// 获取接收到的两个字节的数据
rec0 = *((huart->pRxBuffPtr) - 2);
rec1 = *((huart->pRxBuffPtr) - 1);


uint16_t numPart[2], armControl, arm targetPulse;


// 通过移位与强制转换得到uint16_t类型数据
numPart[0] = (uint16_t) rec0;
numPart[1] = (uint16_t) rec1;
armControl = ((numPart[0] << 8) | numPart[1]);


// 逆向解码
arm = armControl / 1000; // 舵机编号
targetPulse = armControl % 1000 + 200; // 目标比较值


// 通过switch语句改变指定PWM通道的比较值
switch(arm)
{
case 1:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, targetPulse);
break;


case 2:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, targetPulse);
break;


case 3:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_3, targetPulse);
break;


case 4:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_4, targetPulse);
break;


case 5:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim9, TIM_CHANNEL_1, targetPulse);
break;


case 6:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim9, TIM_CHANNEL_2, targetPulse);
break;
}
}
}


在进入while循环之前还需将PWM通道使能;


HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim9, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim9, TIM_CHANNEL_2);


并且在USART2_IRQHandler函数中使能串口接收中断：


void USART2_IRQHandler(void)
{
/* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 0 */


/* USER CODE END USART2_IRQn 0 */
HAL_UART_IRQHandler(&huart2);
/* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 1 */
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, pulse, sizeof(pulse));
/* USER CODE END USART2_IRQn 1 */
}




测试
在测试时我使用的环境是安装有Ubuntu 18.04的树莓派，串口调试工具为CuteCom；由5V锂电池为单片机与舵机（机械臂）供电，每次手动发送两个字节的数据，十进制转十六进制在科学计算器上进行。机械臂的运动符合预期。


经过测试，同时发送12个字节的数据，机械臂也能够正常运行。


这里需要注意，在接线时，舵机的地线必须与单片机共地。


之后就可以将上位机串口发送的代码写入C++或者Python程序，通过上位机控制机械臂。