ANO匿名飞控分析（1）— 遥控器解码
2024-05-01 22:53:26
- 准备电赛，简单写一下匿名飞控的分析
- 基于TM4C主控的匿名拓空者飞控，介绍见匿名科创–匿名拓空者PRO—TI版全开源飞控使用入门—TM4C123
文章目录
- 一、简介
- 二、PWM信号模式
- 1、介绍
- 2、硬件连接
- 三、PPM信号模式
- 1、PPM介绍
- 2、硬件连接
- 3、代码分析
- （1）初始化部分
- （2）解码
- 四、SBUS信号模式
- 1、SBUS介绍
- 2、硬件连接
- 3、代码分析
- （1）初始化部分
- （2）解码
- *小结
- 五、通道看门狗
- 1、遥控数据读取和处理任务
- 2、通道看门狗
一、简介
- 航模接收机的输出信号，乍看起来是PWM波，但严谨的看法是高电平脉冲的宽度。不同厂家接收机设计的信号周期不一样相同，甚至同一个接收机使用时信号周期也不一定相同。所谓接收机类型中的
PWM型、SBUS型、PPM型，本质上只是对脉冲宽度按不同的方式编码 - 通常脉宽变化范围是1000us~2000us，一般航模遥控器中：
（1）方向、油门之类的双向控制，中间值是1500us，两个方向的极值分别是1000us和2000us；
（2）模式切换按钮，分别在1000us和2000us之间切换。
（3）无刷电调没有方向，在1000us时油门为0，2000us时油门最大。 - 官方介绍中，匿名飞控支持
PPM，SUBS和PWM三种遥控信号输入格式，默认为PPM，但实际上，TM4C主控版本的飞控在程序上只支持PPM，SUBS两种模式（我2019/6/27拿到的版本是这样的），stm32版本的飞控支持PWM。 - 在匿名上位机“飞控设置”功能页面，然后打开“参数设置”，可以修改接收机模式
这里实际上是用USB串口和TM4C通讯，相关设置会存贮在板载EEPROM中，掉电后也可以保留 - 官方介绍参考这里：匿名拓空者Pro开源飞控使用介绍-5-接收机连接
二、PWM信号模式
1、介绍
- PWM型接收机，会把接收到的每一个通道的脉宽值，都转换为PWM波的形式，用一个针脚单独输出，基本上所有接收机都支持这种输出形式，是使用范围最广的。
- 解码时，需要每个通道单独用一个IO口进行输入捕获，记录其脉宽。因此这种形式接收机接线复杂，资源占用多
2、硬件连接
- 匿名飞控的板子上其实做了PWM接收机的信号接口，如下，这个框为无用的接口就是PWM接收机信号输入，这是一个8pin插头，对应8个通道
- 查看一下原理图
这一看就是32版本的原理图啊，TM4C一个定时器只能做两路输入捕获，而且命名也不是这样的。。。推测TM4C版飞控的这个接口应该没有内部连接，但原理图还是给的32版本的
三、PPM信号模式
1、PPM介绍
PPM信号是把多路PWM波压缩到一路中的编码方式，通常20ms为一个周期，用一系列高电平脉冲之间的间隔时间表示每一路PWM波的脉宽，见下图
注意：
- 各个通道的高电平信号是一个挨着一个的，而不是每个通道固定分配2ms的时间
- 两个相邻通道间不一定是紧挨着的（表示前一个通道结束的脉冲，和表示下一个通道开始的脉冲，不一定是完全重合的），其间间隔时间也不一定
- 单路信号最长是2000us，周期20ms，所以理论上可以容纳10路。而由于需要进行同步，实际上遥控器最多只能容纳9路信号，每个周期的最后有一段较长时间的低电平（至少2ms），单片机通过它判断一个PPM周期结束
更多内容，参考PPM信号介绍
2、硬件连接
- 可以看到直接连接到PC7，一个IO口做输入捕获即可
3、代码分析
（1）初始化部分
在程序最开始，调用Drv_BspInit();对整机的传感器和外设等进行初始化，其中调用Remote_Control_Init函数进行遥控接收配置，程序如下
//初始化遥控接受
static u8 RC_IN_MODE;
void Remote_Control_Init()
{RC_IN_MODE = Ano_Parame.set.pwmInMode;if(RC_IN_MODE == SBUS){Drv_SbusInit(); //SBUS->UART3}else{Drv_PpmInit(); //PPM->timer1B输入捕获
// PWM_IN_Init(RC_IN_MODE);}
}
Ano_Parame.set结构体中存储了所有将被设置的参数，包括pid参数、起飞降落速度等，其中pwmInMode为接收机模式Ano_Parame是一个共用体，set和一个2048字节的uint8_t数组byte公用空间，上电后程序先从EEPROM中读取2048字节数据到共用体Ano_Parame的byte中，从而对共用内存空间的set结构体赋值。可见遥控模式设定pwmInMode是保存在ROM中的，设置一次后就一直保持Ano_Parame.set.pwmInMode有三种取值，如下。根据Remote_Control_Init函数中的if-else语句，可见TM4C版飞控中PWM模式其实也是PPM，二者的处理是相同的
enum pwminmode_e{PWM = 0,PPM,SBUS,};
- 查看PPM接收的外设初始化函数
Drv_PpmInit();
/*******************************************************************************************************************
*函 数 名: Drv_PpmInit
*功能说明: 初始化ppm解码，配置PC7为输入捕获引脚，定时器5B为捕获上升沿,边沿加计时模式，计数范围0-0xffffff，频率80M
*形 参: 无
*返 回 值: 无
*******************************************************************************************************************/
void Drv_PpmInit(void)
{/*启动GPIOC*/ROM_SysCtlPeripheralEnable(PPM_SYSCTL);/*启动wide timer 1 (32/64 bit)*/ROM_SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_WTIMER1);/*GPIOC配置为定时器捕获模式*/ROM_GPIOPinTypeTimer(PPM_PORTS, PPM_PIN);ROM_GPIOPinConfigure(PPM_FUNCTION);/*配置定时器5B为捕获上升沿,边沿加计时模式*/ROM_TimerConfigure( WTIMER1_BASE ,TIMER_CFG_SPLIT_PAIR | TIMER_CFG_B_CAP_TIME_UP ); ROM_TimerControlEvent(WTIMER1_BASE,TIMER_B,TIMER_EVENT_POS_EDGE); /*计时范围0-0xffffff，计数频率同系统频率80M*/ROM_TimerLoadSet( WTIMER1_BASE , TIMER_B , 0xffff );//注意这个函数，这个8位的预分频寄存器，只有单次或周期的定时是真正的预分频寄存器，这里做输入捕获，其实是把这8位当成WTIMER1B的高8位了，从而扩展了捕获时的计数范围到24位ROM_TimerPrescaleSet( WTIMER1_BASE , TIMER_B , 0xff );/*开启定时器中断*/TimerIntRegister(WTIMER1_BASE, TIMER_B , PPM_Decode); ROM_IntPrioritySet( INT_WTIMER1B , USER_INT6);ROM_TimerIntEnable( WTIMER1_BASE , TIMER_CAPB_EVENT);ROM_TimerEnable( WTIMER1_BASE, TIMER_B );ROM_IntEnable( INT_WTIMER1B );
}
- 可以看到，这里把PC7配置为输入捕获，捕获模式为上升沿加计时，计时频率为80MHz，计数范围0-0xffffff，具体分析参考TM4C123G学习记录(7)–输入捕获
- 注意中断的配置，当发生捕获事件（检测到上升沿）时，执行中断服务函数
PPM_Decode
（2）解码
/*******************************************************************************************************
*函 数 名: PPM_Decode
*功能说明: PPM解码，把每个PWM脉宽分离出来
*形 参: 无
*返 回 值: 无
*关于 PPM：PPM信号把多路PWM信号调制到一路通道上，标准刷新率是50Hz（周期20ms），每路脉宽变化范围是1000us~2000us。1. 方向、油门之类的双向控制，中间值是1500us，两个方向的极值分别是1000us和2000us；2. 模式切换按钮，分别在1000us和2000us之间切换。3. 无刷电调没有方向，在1000us时油门为0，2000us时油门最大******************************************************************************************************/
static void PPM_Decode(void)
{static uint32_t PeriodVal1,PeriodVal2 = 0;static uint32_t PulseHigh;/* 清除中断标志 */ROM_TimerIntClear( WTIMER1_BASE , TIMER_CAPB_EVENT );/* 获取捕获值 */ PeriodVal1 = ROM_TimerValueGet( WTIMER1_BASE , TIMER_B ); //PeriodVal1是高电平到来时的计数值/* 计算高电平持续时间，1对应1us，注意过零点处理 */if( PeriodVal1 > PeriodVal2 )PulseHigh = (PeriodVal1 - PeriodVal2) /80;elsePulseHigh = (PeriodVal1 - PeriodVal2 + 0xffffff)/80;PeriodVal2 = PeriodVal1;PPM_Cal(PulseHigh);
}/**********************************************************************************************************
*函 数 名: PPM_Cal
*功能说明: PPM通道数据计算
*形 参: 无
*返 回 值: 无
**********************************************************************************************************/
static void PPM_Cal(uint32_t PulseHigh)
{static uint8_t Chan = 0; //通道标记/* 脉宽高于一定值(5000us)说明一帧数据已经结束 */if(PulseHigh > 5000) Chan = 0;/* 脉冲高度正常 */else{if (PulseHigh > PULSE_MIN && PulseHigh < PULSE_MAX){if(Chan < 16){/* 通道读取正常，给通道Chan喂狗 */ch_watch_dog_feed(Chan); RC_PPM.Captures[Chan++] = PulseHigh;}}}
}
PPM_Decode()是一个中断服务函数，当PPM输入引脚捕获到高电平脉冲上升沿时触发，在这里检查计数器计数值，并和上次进中断的计数值做差，从而获得一个通道对应的脉宽（单位us），注意一下过零点处理就好前面说过，PPM信号周期最后有一个长时间的低电平，而且两个相邻通道间不一定是紧挨着的。因此
PPM_Decode()直接获得的脉宽不一定是通道数据，需要调用PPM_Cal函数进一步确认。PPM_Cal中首先判断脉宽是否超过5000us（标志一个PPM周期结束），超过了就准备从0通道开始重新记录各通道脉宽；否则，进一步判断脉宽是否在合理范围内（PULSE_MIN~PULSE_MAX），如果都没问题，说明读取到的确实是一个通道数据，给通道看门狗喂狗ch_watch_dog_feed(Chan)，并把脉宽记录到RC_PPM.Captures数组中，等待进一步处理。关于通道看门狗的内容稍后再讲
四、SBUS信号模式
1、SBUS介绍
- 简单说，SBUS信号就是一种特殊的UART信号，相比于普通UART信号，SBUS信号经过硬件取反后可以直接用UART控制器处理，注意必须要进行硬件取反，软件取反不行
- 接受串口配置：波特率100k，8位数据位，偶校验，2位停止位，无控流（硬件流控制），25个字节、
- SBUS规定了一个数据传输协议，格式为 [
startbyte] [data1][data2]…[data22][flags][endbyte]（帧头、帧尾、标志+22个数据字节，一帧共25字节） - 22个数据字节对应16个通道（ch1-ch16），每个通道11bit（22x8=16x11=176），数据范围在0-2047之间，基本上是1102~1927，中值为1500；
- 更详细的介绍，参见：SBUS协议：SBUS解析与合成
2、硬件连接
3、代码分析
（1）初始化部分
最开始的入口Remote_Control_Init()和PPM是一样的，直接看Drv_SbusInit()
/*******************************************************************************************************************
*函 数 名: Drv_SbusInit
*功能说明: 初始化sbus解码，配置PC6复用UART3功能，UART频率为系统频率80M，波特率100k，8位数据位，2位停止位，偶校验，FIFO深度1/8（16*1/8=2）
*形 参: 无
*返 回 值: 无
*******************************************************************************************************************/
void Drv_SbusInit(void)
{ROM_SysCtlPeripheralEnable(SBUS_SYSCTL);ROM_SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_UART3);/*GPIO的UART模式配置*/ROM_GPIOPinConfigure(UART3_RX);ROM_GPIOPinTypeUART( UART3_PORT ,UART3_PIN_RX );/*配置串口的波特率和时钟源*/ROM_UARTConfigSetExpClk( SBUS_UART ,SysCtlClockGet(), SBUS_BAUDRATE ,UART_CONFIG_WLEN_8 | UART_CONFIG_STOP_TWO | UART_CONFIG_PAR_EVEN );/*FIFO设置*/ ROM_UARTFIFOLevelSet( SBUS_UART , UART_FIFO_TX1_8 , UART_FIFO_RX1_8 );ROM_UARTFIFOEnable(SBUS_UART);/*使能串口*/ROM_UARTEnable( SBUS_UART );/*串口中断配置与使能*/ UARTIntRegister( SBUS_UART , Sbus_IRQHandler );ROM_IntPrioritySet( INT_UART3 , USER_INT6 );ROM_UARTIntEnable( SBUS_UART , UART_INT_RX | UART_INT_OE );
}
- 配置PC6复用UART3功能，UART频率为系统频率80M，波特率100k，8位数据位，2位停止位，偶校验，FIFO深度1/8（16*1/8=2）
- 打开了串口接收中断 & 溢出错误中断
- 关于UART的详细介绍，参见TM4C123G学习记录(6)–UART
（2）解码
static void Sbus_IRQHandler(void)
{uint8_t com_data; /*获取中断标志 原始中断状态 屏蔽中断标志*/ uint32_t flag = ROM_UARTIntStatus(SBUS_UART,1);/*清除中断标志*/ROM_UARTIntClear(SBUS_UART,flag);ROM_UARTRxErrorClear( SBUS_UART );/*判断FIFO是否还有数据*/while(ROM_UARTCharsAvail(SBUS_UART)) { com_data=UART3->DR;Sbus_Decode(com_data); }
}u16 Rc_Sbus_In[16]; //SBUS接受的数据
u8 sbus_flag;
/*
sbus flags的结构如下所示：
flags：
bit7 = ch17 = digital channel (0x80)
bit6 = ch18 = digital channel (0x40)
bit5 = Frame lost, equivalent red LED on receiver (0x20)
bit4 = failsafe activated (0x10) b: 0001 0000
bit3 = n/a
bit2 = n/a
bit1 = n/a
bit0 = n/a
*/
static void Sbus_Decode(uint8_t data)
{static uint8_t i;static uint8_t DataCnt = 0;static uint8_t SUBS_RawData[25];/*接收数据*/SUBS_RawData[DataCnt++]=data; /*每帧数据长度为25*/if(DataCnt >= 25){/*判断帧头帧尾是否正确 只要有一个不正确就退出函数*/if(SUBS_RawData[0] == 0x0F && SUBS_RawData[24] == 0){DataCnt = 0;Rc_Sbus_In[0] = (s16)(SUBS_RawData[2] & 0x07) << 8 | SUBS_RawData[1]; //data[2]低三位+data[1]八位Rc_Sbus_In[1] = (s16)(SUBS_RawData[3] & 0x3f) << 5 | (SUBS_RawData[2] >> 3); //data[3]低六位+data[2]高五位Rc_Sbus_In[2] = (s16)(SUBS_RawData[5] & 0x01) << 10 | ((s16)SUBS_RawData[4] << 2) | (SUBS_RawData[3] >> 6);Rc_Sbus_In[3] = (s16)(SUBS_RawData[6] & 0x0F) << 7 | (SUBS_RawData[5] >> 1);Rc_Sbus_In[4] = (s16)(SUBS_RawData[7] & 0x7F) << 4 | (SUBS_RawData[6] >> 4);Rc_Sbus_In[5] = (s16)(SUBS_RawData[9] & 0x03) << 9 | ((s16)SUBS_RawData[8] << 1) | (SUBS_RawData[7] >> 7);Rc_Sbus_In[6] = (s16)(SUBS_RawData[10] & 0x1F) << 6 | (SUBS_RawData[9] >> 2);Rc_Sbus_In[7] = (s16)SUBS_RawData[11] << 3 | (SUBS_RawData[10] >> 5);Rc_Sbus_In[8] = (s16)(SUBS_RawData[13] & 0x07) << 8 | SUBS_RawData[12];Rc_Sbus_In[9] = (s16)(SUBS_RawData[14] & 0x3f) << 5 | (SUBS_RawData[13] >> 3);Rc_Sbus_In[10] = (s16)(SUBS_RawData[16] & 0x01) << 10 | ((s16)SUBS_RawData[15] << 2) | (SUBS_RawData[14] >> 6);Rc_Sbus_In[11] = (s16)(SUBS_RawData[17] & 0x0F) << 7 | (SUBS_RawData[16] >> 1);Rc_Sbus_In[12] = (s16)(SUBS_RawData[18] & 0x7F) << 4 | (SUBS_RawData[17] >> 4);Rc_Sbus_In[13] = (s16)(SUBS_RawData[20] & 0x03) << 9 | ((s16)SUBS_RawData[19] << 1) | (SUBS_RawData[18] >> 7);Rc_Sbus_In[14] = (s16)(SUBS_RawData[21] & 0x1F) << 6 | (SUBS_RawData[20] >> 2);Rc_Sbus_In[15] = (s16)SUBS_RawData[22] << 3 | (SUBS_RawData[21] >> 5);//标志位,低四位保留，位7：6表示两个开关通道（通道17和18）//位5表示帧丢失，接收机红色LED亮起，我的理解是，如果这一位为1，表示这一帧信号出问题了，接收机红色LED亮起。//位4表示故障保护激活，意思应该是说如果这一位为1，激活接受方故障保护（失控标记）sbus_flag = SUBS_RawData[23]; /*一帧数据解析完成*///userif(sbus_flag & 0x10){//如果有数据且能接收到有失控标记，则不处理，转嫁成无数据失控。}else{//否则有数据就喂狗for(u8 i = 0;i < 8;i++)//原RC接收程序只设计了8个通道{ch_watch_dog_feed(i);}} }/*帧头或帧尾出错,数据整体前移1位，下一位数据将加入在数组最后再次凑足一帧（25byte）*/else{for( i=0; i<24;i++)SUBS_RawData[i] = SUBS_RawData[i+1];DataCnt = 24;}}
}
- UART3的FIFO深度配置为2，接收数据时稍微缓冲了一下，然后进入中断服务函数
Sbus_IRQHandler - 在中断函数中，取出收到的每一个字节，调用
Sbus_Decode进行解码。在Sbus_Decode中，先把数据填入SUBS_RawData数组，凑足一帧长度后才能尝试解码。 - 解码时，先判断帧头帧尾，如果不匹配，就把数据整体前移，在末尾添加新数据，直到匹配为止。匹配后就按照SBUS协议进行数据拼接，把数据暂存在
Rc_Sbus_In中等待进一步处理，并且给通道看门狗喂狗ch_watch_dog_feed(Chan) - 关于通道看门狗的内容稍后再讲
*小结
- 到此为止吗，关于PPM和SBUS的接受解码已经讲完了，得到的摇杆数据分别为
RC_PPM.Captures和Rc_Sbus_In - 在带入pid控制前，还要进行两个步骤，一是把取值范围不同的两组数据归一化到同一个范围内，这样在修改接收机模式时不会影响其他参数的选择。二是提高数据的可靠性，毕竟是多旋翼飞行器，一但使用了错误的遥控数据，将会发生灾难性的炸鸡，这是不可接受的，匿名针对这个问题的解决方案是利用“通道看门狗”。
五、通道看门狗
- 所谓通道看门狗，其实和通常指的看门狗功能差不多，就是检查遥控器通道数据读取是否正常，如果数据有问题，就拒绝，从而保证错误的数据不会被带入pid控制
- 这个通道看门狗并不是真正的看门狗，不需要使用看门狗定时器，也不能进行系统复位，只是因为二者功能都是守卫程序正常运行，所以这样称呼而已
1、遥控数据读取和处理任务
//遥控器数据读取和处理
void RC_duty_task(u8 dT_ms) //建议2ms调用一次
{if(flag.start_ok) {/获得通道数据
// if(RC_IN_MODE == PWM)
// {// for(u8 i=0;i<CH_NUM;i++)
// {// if(chn_en_bit & (1<<i))//(Rc_Pwm_In[i]!=0)//该通道有值，==0说明该通道未插线（PWM）
// {// CH_N[i] = 1.25f *((s16)Rc_Pwm_In[i] - 1500); //1100 -- 1900us,处理成大约+-500摇杆量// }
// else
// {// CH_N[i] = 0;
// }
// CH_N[i] = LIMIT(CH_N[i],-500,500);//限制到+—500
// }
// }
// else if(RC_IN_MODE == PPM)if(RC_IN_MODE == PPM || RC_IN_MODE == PWM){for(u8 i=0;i<CH_NUM;i++){if(chn_en_bit & (1<<i))//(Rc_Ppm_In[i]!=0)//该通道有值{CH_N[i] = ((s16)RC_PPM.Captures[i] - 1500); //1000 -- 2000us,处理成大约+-500摇杆量}else{CH_N[i] = 0;}CH_N[i] = LIMIT(CH_N[i],-500,500);//限制到+—500} }else//sbus{for(u8 i=0;i<CH_NUM;i++){if(chn_en_bit & (1<<i))//该通道有值{CH_N[i] = 0.65f *((s16)Rc_Sbus_In[i] - 1024); //248 --1024 --1800,处理成大约+-500摇杆量}else{CH_N[i] = 0;}CH_N[i] = LIMIT(CH_N[i],-500,500);//限制到+—500} }/////解锁监测 unlock(dT_ms);//摇杆触发功能监测stick_function(dT_ms); //通道看门狗ch_watch_dog(dT_ms);//失控保护检查fail_safe_check(dT_ms);//3ms}
}- 这里是所有遥控解码函数的入口，同时也进行归一化处理，
RC_PPM.Captures和Rc_Sbus_In都被限制到-500~500之间，处理后的摇杆值存入CH_N数组中，这是将被真正带人pid使用的参数值 - 可以看到
PWM模式和PPM模式实际上是一致的 RC_duty_task()是一个轮询线程，利用系统嘀嗒定时器轮询，每11ms执行一次，参数dT_ms即为此任务执行周期。这里和任务调度相关的以后再说chn_en_bit是一个bit-pack格式的字节，每位标志一个通道的值是否正常（是否有值）- 注意这里调用了看门狗函数
ch_watch_dog(dT_ms)，参数是遥控解码任务周期时长
2、通道看门狗
static u16 cwd_cnt[10] ; //通道看门狗计时
u8 chn_en_bit = 0; //标志哪些通道正常//给通道看门狗喂狗
void ch_watch_dog_feed(u8 ch_n)
{ch_n = LIMIT(ch_n,0,7);cwd_cnt[ch_n] = 0;
}//检查通道看门狗，dT_ms是调用时间间隔（调用周期，这里为11ms）
static void ch_watch_dog(u8 dT_ms)//如果是PPM/SBUS模式，也只检测前8通道
{for(u8 i = 0;i<8;i++){//看门狗计数小于500（数据更新周期小于500ms），认为通道接收正常，计时增加，给chn_en_bit中对应位标记正常if(cwd_cnt[i]<500){cwd_cnt[i] += dT_ms;chn_en_bit |= 0x01<<i; }//否则认定通道不正常，chn_en_bit中对应位标记0else{chn_en_bit &= ~(0x01<<i);
// Rc_Pwm_In[i] = 0; //把捕获值复位
// Rc_Ppm_In[i] = 0;
// Rc_Sbus_In[i] = 0;}}
}
- 程序注释已经写得比较清楚了，这个看门狗的原理，就是每次调用解码任务时把周期时间
dT_ms加到每个通道对应的看门狗计时器cwd_cnt中，代表此通道的值多久没更新了（注意在解码部分，每个通道解码成功后都会调用ch_watch_dog_feed喂狗，清空对应通道的看门狗计时器）。如果未更新时间小于500ms，认为值没问题，给chn_en_bit对应位置1；否则认为此通道无值，给chn_en_bit对应位置0,。
以上是我目前的理解，可能有误，欢迎交流
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