基于正点原子电机实验的pid调试助手代码解析(速度环控制)

通过前两节文章，我已经了解了基本的pid算法，现在在完成了电机编码测速，pid控制电机转速的前提，我们来解析一下下位机是如何pid调试助手进行数据传递的.

下位机与PID调试助手传输的原理

首先用c#写一个PID调试助手，然后拟定好传递数据的通信协议，然后下位机配置好串口，下位机使用串口发送指令给上位机解析(按照通信协议),上位机发送数据，下位通过串口接受到上位机传来的指令，进行解析。

代码讲解(基于正点原子)

正点原子的代码使F4系列的，我修改成了stm32F103ZET6的板子代码，
现在我们先来讲一讲函数怎么调用.

首先看到主函数里的程序。

/******************************************************************************************************* @file        main.c* @author      正点原子团队(ALIENTEK)* @version     V1.0* @date        2021-10-16* @brief       直流有刷电机速度环PID控制 实验* @license     Copyright (c) 2020-2032, 广州市星翼电子科技有限公司***************************************************************************************************** @attention** 实验平台:正点原子 F407电机开发板* 在线视频:www.yuanzige.com* 技术论坛:www.openedv.com/forum.php* 公司网址:www.alientek.com* 购买地址:openedv.taobao.com******************************************************************************************************/#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/DC_MOTOR/dc_motor.h"
#include "./BSP/ADC/adc.h"
#include "./BSP/TIMER/dcmotor_tim.h"
#include "./BSP/PID/pid.h"
#include "./DEBUG/debug.h"extern uint8_t  g_run_flag;void lcd_dis(void);int main(void)
{uint8_t key;uint16_t t;uint8_t debug_cmd = 0;HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7);     /* 设置时钟,168Mhz */delay_init(168);                        /* 延时初始化 */usart_init(115200);                     /* 串口1初始化，用于上位机调试 */led_init();                             /* 初始化LED */lcd_init();                             /* 初始化LCD */key_init();                             /* 初始化按键 */pid_init();                             /* 初始化PID参数 */atim_timx_cplm_pwm_init(8400 - 1 , 0);  /* 168 000 000 / 1 = 168 000 000 168Mhz的计数频率，计数8400次为50us */dcmotor_init();                         /* 初始化电机 */gtim_timx_encoder_chy_init(0XFFFF, 0);  /* 编码器定时器初始化，不分频直接84M的计数频率 */btim_timx_int_init(1000 - 1 , 84 - 1);  /* 基本定时器初始化，1ms计数周期 */#if DEBUG_ENABLE                            /* 开启调试 */debug_init();                           /* 初始化调试 */debug_send_motorcode(DC_MOTOR);         /* 上传电机类型（直流有刷电机） */debug_send_motorstate(IDLE_STATE);      /* 上传电机状态（空闲） *//* 同步数据（选择第1组PID,目标速度地址,P,I,D参数）到上位机 */debug_send_initdata(TYPE_PID1, (float *)(&g_speed_pid.SetPoint), KP, KI, KD);#endifg_point_color = WHITE;g_back_color  = BLACK;lcd_show_string(10, 10, 200, 16, 16, "DcMotor Test", g_point_color);lcd_show_string(10, 30, 200, 16, 16, "KEY0:Start forward", g_point_color);lcd_show_string(10, 50, 200, 16, 16, "KEY1:Start backward", g_point_color);lcd_show_string(10, 70, 200, 16, 16, "KEY2:Stop", g_point_color);while (1){key = key_scan(0);                                  /* 按键扫描 */if(key == KEY0_PRES)                                /* 当key0按下 */{g_run_flag = 1;                                 /* 标记电机启动 */g_speed_pid.SetPoint += 30;if (g_speed_pid.SetPoint == 0){dcmotor_stop();                             /* 停止则立刻响应 */g_motor_data.motor_pwm = 0;motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm);      /* 设置电机方向、转速 */}else{dcmotor_start();                            /* 开启电机 */if (g_speed_pid.SetPoint >= 300)            /* 限速 */{g_speed_pid.SetPoint = 300;}
#if DEBUG_ENABLEdebug_send_motorstate(RUN_STATE);           /* 上传电机状态（运行） */
#endif}}else if(key == KEY1_PRES)                           /* 当key1按下 */{g_run_flag = 1;                                 /* 标记电机启动 */g_speed_pid.SetPoint -= 30;if (g_speed_pid.SetPoint == 0){dcmotor_stop();                             /* 停止则立刻响应 */g_motor_data.motor_pwm = 0;motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm);      /* 设置电机方向、转速 */}else{dcmotor_start();                            /* 开启电机 */if (g_speed_pid.SetPoint <= -300)           /* 限速 */{g_speed_pid.SetPoint = -300;}
#if DEBUG_ENABLEdebug_send_motorstate(RUN_STATE);           /* 上传电机状态（运行） */
#endif}}else if(key == KEY2_PRES)                           /* 当key2按下 */{dcmotor_stop();                                 /* 停止电机 */pid_init();                                     /* 重置pid参数 */g_run_flag = 0;                                 /* 标记电机停止 */g_motor_data.motor_pwm = 0;motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm);          /* 设置电机转向、速度 */#if DEBUG_ENABLEdebug_send_motorstate(BREAKED_STATE);           /* 上传电机状态（刹车） */debug_send_initdata(TYPE_PID1, (float *)(&g_speed_pid.SetPoint), KP, KI, KD);           /* 同步数据到上位机 */
#endif}#if DEBUG_ENABLE/* 查询接收PID助手的PID参数 */debug_receive_pid(TYPE_PID1, (float *)&g_speed_pid.Proportion,(float *)&g_speed_pid.Integral, (float *)&g_speed_pid.Derivative);debug_set_point_range(300, -300, 300);              /* 设置目标速度范围 */debug_cmd = debug_receive_ctrl_code();              /* 读取上位机指令 */if (debug_cmd == BREAKED)                           /* 电机刹车 */{dcmotor_stop();                                 /* 停止电机 */pid_init();                                     /* 重置pid参数 */g_run_flag = 0;                                 /* 标记电机停止 */g_motor_data.motor_pwm = 0;motor_pwm_set(g_motor_data.motor_pwm);          /* 设置电机转向、速度 */debug_send_motorstate(BREAKED_STATE);           /* 上传电机状态（刹车） */debug_send_initdata(TYPE_PID1, (float *)(&g_speed_pid.SetPoint), KP, KI, KD);} else if (debug_cmd == RUN_CODE)                     /* 电机运行 */{  dcmotor_start();                                /* 开启电机 */g_speed_pid.SetPoint = 30;                      /* 设置目标速度：30 RPM */g_run_flag = 1;                                 /* 标记电机启动 */debug_send_motorstate(RUN_STATE);               /* 上传电机状态（运行） */}
#endift++;if(t % 20 == 0){lcd_dis();                                      /* 显示数据 */LED0_TOGGLE();                                  /*LED0(红灯) 翻转*/
#if DEBUG_ENABLEdebug_send_speed(g_motor_data.speed);           /* 发送速度 */
#endif}delay_ms(10);}
}/*** @brief       数据显示函数* @param       无* @retval      无*/
void lcd_dis(void)
{char buf[32];/* 显示占空比（正负号为电机方向） */sprintf(buf, "PWM_Duty:%.1f%c  ", (float)(g_motor_data.motor_pwm * 100 / 8400), '%');lcd_show_string(10, 150, 200, 16, 16, buf, g_point_color);/* 设置的目标速度 */sprintf(buf, "Set Speed :%3d RPM ", (int16_t)g_speed_pid.SetPoint);lcd_show_string(10, 180, 200, 16, 16, buf, g_point_color); /* 电机实际速度 */sprintf(buf, "Speed :%3d RPM ", (int16_t)g_motor_data.speed);lcd_show_string(10, 210, 200, 16, 16, buf, g_point_color);
}

#if DEBUG_ENABLE                            /* 开启调试 */debug_init();                           /* 初始化调试 */debug_send_motorcode(DC_MOTOR);         /* 上传电机类型（直流有刷电机） */debug_send_motorstate(IDLE_STATE);      /* 上传电机状态（空闲） *//* 同步数据（选择第1组PID,目标速度地址,P,I,D参数）到上位机 */debug_send_initdata(TYPE_PID1, (float *)(&g_speed_pid.SetPoint), KP, KI, KD);#endif

首先初始化调试，就是将用来存放参数的结构体变量清零。
接着上传下电机类型
上传电机状态，
把此时Kp,Ki,Kd的值发给pid调试助手。

上传数据的函数。
这里我只上传了电机的速度，差不多200ms上传一次。

发送波形函数
这里我上传实际速度，目标速度，占空比值，每50ms上传一次
这里我上传三个通道，
通道1上传实际速度，
通道2上传目标速度
通道3上传占空比

接受上位机发送数据函数

这里设定目标范围，已经设定目标的变化上限。
读取上位机指令。
判断指令是否是刹车，然后执行相关操作。
判断指令是否是运行，然后执行相关操作。

在主函数的while循环里一直调用这些函数。

解析数据接受和数据发送的底层函数

数据接受

通过串口来接收上位机发来的数据包(中断接收），只要上位机一发送数据，就会产生串口中断，然后在接受中断回调函数里族逐个字节来接收数据，并解析数据。

数据帧格式

/*** @brief       上位机数据解析* @param       *data：接收的数据（地址）* @note        利用环形缓冲区来接收数据，再存进相应的结构体成员中* @retval      无*/
void debug_handle(uint8_t *data)
{uint8_t temp[DEBUG_REV_MAX_LEN];uint8_t i;if (debug_rev_p >= DEBUG_REV_MAX_LEN)          /* 超过缓冲区（数组）最大长度 */{debug_rev_p = 0;                           /* 地址偏移量清零 */}debug_rev_data[debug_rev_p] = *(data);         /* 取出数据，存进数组 */if (*data == DEBUG_DATA_END)                   /* 判断是否收到帧尾 */{if (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 4) % DEBUG_REV_MAX_LEN] == DEBUG_DATA_HEAD)                        /* 数据包长度为5个字节，判断第一个字节是否为帧头 */{for (i = 0; i < 2; i++){temp[i] = debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 4 + i) % DEBUG_REV_MAX_LEN];                         /* 取出帧头、数据类别，5个字节的数据包没有数据域 */}#if EN_CRC                                         /* 进行CRC校验 */if (crc16_calc(temp, 2) == ((debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 4 + 2) % DEBUG_REV_MAX_LEN] << 8) | \debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 4 + 3) % DEBUG_REV_MAX_LEN]))
#endif{if (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 4 + 1) % DEBUG_REV_MAX_LEN] == CMD_GET_ALL_DATA)           /* 判断数据类别是否为：获取全部参数 */{debug_upload_data(&g_debug, TYPE_STATUS);                                                                    /* 发送电机状态 */debug_upload_data(&g_debug, TYPE_SPEED);                                                                     /* 发送速度值 */debug_upload_data(&g_debug, TYPE_HAL_ENC);                                                                   /* 发送霍尔、编码器位置 */debug_upload_data(&g_debug, TYPE_VBUS);                                                                      /* 发送电压 */debug_upload_data(&g_debug, TYPE_AMP);                                                                       /* 发送电流 */debug_upload_data(&g_debug, TYPE_TEMP);                                                                      /* 发送温度 */debug_upload_data(&g_debug, TYPE_SUM_LEN);                                                                   /* 发送总里程 */debug_upload_data(&g_debug, TYPE_BEM);                                                                       /* 发送反电动势 */debug_upload_data(&g_debug, TYPE_MOTOR_CODE);                                                                /* 发送电机类型 */for (i = TYPE_PID1; i < TYPE_PID10; i++){debug_upload_data(&g_debug, i);                                                                          /* 发送PID参数 */}}}}if (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 5) % DEBUG_REV_MAX_LEN] == DEBUG_DATA_HEAD)                        /* 数据包长度为6个字节，判断第一个字节是否为帧头 */{for (i = 0; i < 3; i++){temp[i] = debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 5 + i) % DEBUG_REV_MAX_LEN];                         /* 取出帧头、数据类别、数据域 */}
#if EN_CRC                                         /* 进行CRC校验 */if (crc16_calc(temp, 3) == ((debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 5 + 3) % DEBUG_REV_MAX_LEN] << 8) | \debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 5 + 4) % DEBUG_REV_MAX_LEN]))
#endif{switch (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 5 + 1) % DEBUG_REV_MAX_LEN])                           /* 判断数据类别 */{case CMD_SET_CTR_CODE:                                                                                       /* 下发控制指令 */debug_rev.Ctrl_code = debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 5 + 2) % DEBUG_REV_MAX_LEN];break;case CMD_SET_CTR_MODE:                                                                                       /* 下发控制模式 */debug_rev.Ctrl_mode = debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 5 + 2) % DEBUG_REV_MAX_LEN];break;}}}if (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6) % DEBUG_REV_MAX_LEN] == DEBUG_DATA_HEAD)                        /* 数据包长度为7个字节，判断第一个字节是否为帧头 */{for (i = 0; i < 4; i++){temp[i] = debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6 + i) % DEBUG_REV_MAX_LEN];                         /* 取出帧头、数据类别、数据域 */}
#if EN_CRC                                         /* 进行CRC校验 */if (crc16_calc(temp, 4) == ((debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6 + 4) % DEBUG_REV_MAX_LEN] << 8) | \debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6 + 5) % DEBUG_REV_MAX_LEN]))
#endif{switch (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6 + 1) % DEBUG_REV_MAX_LEN])                           /* 判断数据类别 */{case CMD_SET_SPEED:                                                                                          /* 设定电机速度 */*(debug_rev.speed) = (int16_t)((debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6 + 2) % DEBUG_REV_MAX_LEN] << 8) | \debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6 + 3) % DEBUG_REV_MAX_LEN]);break;case CMD_SET_TORQUE:                                                                                         /* 设定转矩 */*(debug_rev.torque) = (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6 + 2) % DEBUG_REV_MAX_LEN] << 8) | \debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 6 + 3) % DEBUG_REV_MAX_LEN];break;}}}if (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 16) % DEBUG_REV_MAX_LEN] == DEBUG_DATA_HEAD)                       /* 数据包长度为17个字节，判断第一个字节是否为帧头 */{for (i = 0; i < 14; i++){temp[i] = debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 16 + i) % DEBUG_REV_MAX_LEN];                        /* 取出帧头、数据类别、数据域 */}
#if EN_CRC                                          /* 进行CRC校验 */if (crc16_calc(temp, 14) == ((debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 16 + 14) % DEBUG_REV_MAX_LEN] << 8) | \debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 16 + 15) % DEBUG_REV_MAX_LEN]))
#endif{switch (debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 16 + 1) % DEBUG_REV_MAX_LEN])                          /* 判断数据类别 */{case CMD_SET_PID1:case CMD_SET_PID2:case CMD_SET_PID3:case CMD_SET_PID4:case CMD_SET_PID5:case CMD_SET_PID6:case CMD_SET_PID7:case CMD_SET_PID8:case CMD_SET_PID9:case CMD_SET_PID10:for (i = 0; i < 12; i++)                                                                                     /* 接收设定的PID参数 */{g_debug.pid[debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 16 + 1) % DEBUG_REV_MAX_LEN] - CMD_SET_PID1].pid.pidi8[i] = \debug_rev_data[(debug_rev_p + DEBUG_REV_MAX_LEN - 16 + 2 + i) % DEBUG_REV_MAX_LEN];}break;}}}}debug_rev_p ++;
}

首先先来说一下上位机的解析函数
上位机数据的解析函数是用环形数组的形式来存放，这样不会产生内存碎片，通过串口不断接受数组，然后把接受到的数组按照环形的顺序赋予给数值，并判断是否是帧尾，如果是帧尾，则接着判断是几字节的包，并且首字节是否是帧头，这里四种四节的包，分别是5字节，6字节，7字节，17字节。所以可以看到代码里进行了四个if语句判断分别是什么字节，并且首字节是否为帧头，然后分别进行crc校验，如果校验正确，则把表示数组类别和数据域的包给取出来，然后根据通信协议，将参数存放结构体变量进行对应赋值。

四个if语句

环形数组以及怎么找到它的帧头位置

例如数组大小为17的数组，当它的地址偏移量到达17的时候，则重新从0开始赋值。

我们现在已经知道帧尾的位置了，接下来如何找到帧头的位置呢？
这就和上面的四个if语句对应上了，例如我们要数据包长度为5的帧头，
我们就可以用（（当前的地址偏移量+数组长度-（数据包长度-1））% 数组长度）来找到帧头的位置。

crc校验

本例程数据通过crc校验进行验证。
CRC定义：
 CRC即循环冗余校验码，是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查（CRC）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。
 取出帧头、数据类别、数据域进行crc校验
 代码：
 

数据发送

数据上传函数

构建数组包：
先定义一个数组 upload_data[37]，为什么是37呢，因为最长的数据包是37byte。
判断数据类别并进行指令存储：
根据upload_type的值来确定数据类别，然后进行把数据域值赋给upload_data数组。

判断是否未数据类别错误，如果不是，则进行crc校验，然后把指令发送给pid调试助手。