本文是机甲大师机器人控制的系列博客之一。在功能分析的基础上，本文设计软件的架构以及定义输入输出接口。

系列博客：
机甲大师机器人控制（一）：概念与流程
机甲大师机器人控制（二）：功能分析
机甲大师机器人控制（三）：软件架构设计
机甲大师机器人控制（四）：软件单元
机甲大师机器人控制（五）：软件单元测试
机甲大师机器人控制（六）：集成测试
机甲大师机器人控制（七）：购买清单

文章目录

  • 1 开发阶段
  • 2 软件架构设计
    • 2.1 顶层子系统
      • 2.1.1 子系统模型
      • 2.1.2 输入接口
    • 2.2 电机控制子系统
      • 2.2.1 子系统模型
      • 2.2.2 输入接口
      • 2.2.3 输出接口
    • 2.3 舵机控制子系统
      • 2.3.1 子系统模型
      • 2.3.2 输入接口
      • 2.3.3 输出接口
    • 2.4 水弹枪控制子系统
      • 2.4.1 子系统模型
      • 2.4.2 输入接口
      • 2.4.3 输出接口
  • 3 数据字典定义
  • 4 总结

1 开发阶段

软件架构设计阶段在功能分析阶段之后，会按照功能分析中的每一条来设计架构和输入输出接口。软件架构设计阶段会在Simulink模型中搭建输入输出端口和子系统，但是还不会开始设计最内层子系统中的控制逻辑。

2 软件架构设计

在软件架构设计这个阶段，博主主要做了两件事。首先，根据功能分析阶段提出的4个功能划分模型的子系统和内层子系统；然后，根据子系统功能来确定输入输出接口。Simulink模型文件命名为MTSR_MotionSolve.slx，含义为运动解算，简写为MTSR。

2.1 顶层子系统

2.1.1 子系统模型

在模型最顶层是一个使能子系统，对应功能分析阶段的第1条功能：按键锁定。使能信号为1的时候，子系统被激活；使能信号为0的时候，子系统不被激活，也就达到了锁定按键的效果。如图所示。子系统名为MTSR。

2.1.2 输入接口

虽然顶层的子系统连接了所有输入输出信号，但是从功能分类的角度来说，Mode按键对应的信号以外的其他信号都是和内层子系统相关的，所以本小节只研究使能信号输入接口VeINPR_uint8_PS2MODE。

序号 信号名 数据类型 范围 存储类型
1 VeINPR_uint8_PS2MODE uint8 [0,1] ImportFromFile

这里对几个属性做一些简单的解释：

  • 信号名：对应的就是在代码中的变量名。这里的命名规范是博主从一个MBD的公众号上看到一名通用的工程师使用的。VeINPR代表它是输入信号，uint8表示了它的数据类型，PS2MODE是它的物理含义，也就是对应着Mode按键；
  • 数据类型：Simulink中的常用类型；
  • 范围：这里指的不是数据类型所对应的范围，而是底层所允许的范围；
  • 存储类型：也就是Simulink中的StorageClass，可以看看博主以前的博客介绍；

VeINPR_uint8_PS2MODE这个信号只有0和1两个取值，当按一下手柄的Mode键的时候，就从0跳转到1或者1跳转到0，同时绿色指示灯也会亮起（1）或者熄灭（0）。ImportFromFile的存储类型表示了这个信号是外部引入的，因为这个变量依赖于STM32工程中的其他文件，把PS2的传输协议解析出来，然后提供接口给模型。

双击进入顶层子系统后，可以看到第二层中又包含了三个子系统，分别是电机控制子系统、舵机控制子系统和水弹枪控制子系统。

2.2 电机控制子系统

2.2.1 子系统模型

电机控制子系统对应功能分析中的第2条：底盘平面运动。该子系统根据4路摇杆通道的输入，控制4个直流电机的转速和转向，从而带动麦轮转动，实现底盘平面运动的功能。子系统名为Motor_Ctrl。

2.2.2 输入接口

电机控制子系统的输入接口是摇杆的4个通道：左摇杆的X通道、左摇杆的Y通道、右摇杆的X通道、右摇杆的Y通道，分别简写为LX,LY,RX,RY。其属性如下表：

序号 信号名 数据类型 范围 存储类型
1 VeINPR_uint8_PS2LX uint8 [0~255] ImportFromFile
2 VeINPR_uint8_PS2LY uint8 [0~255] ImportFromFile
3 VeINPR_uint8_PS2RX uint8 [0~255] ImportFromFile
4 VeINPR_uint8_PS2RY uint8 [0~255] ImportFromFile

这4路输入信号和Mode按键的信号一样，都是由STM32中其他的文件解析手柄的通信协议后所输出给模型的，所以也都是ImportFromFile。

4路通道的数据范围都是0~255的整数。0对应着X通道的最左或者Y通道的最上，255对应着X通道的最右或者Y通道的最下，如图所示。

2.2.3 输出接口

研究输出接口之前，首先先研究一下电机接口函数。电机接口函数是STM32驱动板的配套程序中给出的，如下表所示。

序号 函数名 含义 参数类型 参数范围
1 MotA_Interface(PWM) 电机A调速接口 int32 [-1000~1000]
2 MotB_Interface(PWM) 电机B调速接口 int32 [-1000~1000]
3 MotC_Interface(PWM) 电机C调速接口 int32 [-1000~1000]
4 MotD_Interface(PWM) 电机D调速接口 int32 [-1000~1000]

电机接口函数内部封装了控制电机的PWM波控制，调用函数只需要传入一个-1000~1000的整型数即可控制直流电机的正反转和转速。绝对值为1000时，电机两端电压等于电源电压。打个比方，如果电机由两节18650电池驱动，那么电池端电压就是7.4V。MotA_Interface(1000)函数就代表给电机加上正向电压7.4V，轮子就会以7.4V所对应的转速正转。

模型的输出接口正是电机接口函数中传入的参数，因此可以很好的将下表和上表对照。

序号 信号名 数据类型 范围 存储类型
1 VeOUTR_int32_FLWheel int32 [-1000~1000] ExportedGlobal
2 VeOUTR_int32_FRWheel int32 [-1000~1000] ExportedGlobal
3 VeOUTR_int32_BLWheel int32 [-1000~1000] ExportedGlobal
4 VeOUTR_int32_BRWheel int32 [-1000~1000] ExportedGlobal

以VeOUTR_int32_FLWheel为例，FLWheel代表左前轮（Front-Left），这里的范围-1000~1000只是为了方便调用的一个虚拟值，不代表电压或者转速这样的实际物理含义，也不是真正的PWM波的数值。ExportedGlobal表示这个信号在生成代码对应的变量是在模型对应的源文件定义的，输出给其他文件使用。

在执行完模型的step函数后，4个输出接口就会赋值成解算出来的数值。然后调用4个MotX_Interface(PWM)函数，将输出变量作为参数，就可以控制电机转速和方向。

2.3 舵机控制子系统

2.3.1 子系统模型

电机控制子系统对应功能分析中的第3条：舵机云台二自由度运动。该子系统根据手柄右手的4个按键的输入，控制双舵机的正反转。子系统名为Servo_Ctrl。

2.3.2 输入接口

舵机控制子系统的输入接口是右手4个按钮对应的信号：右手左按键、右手右按键、右手上按键、右手下按键，分别简写为RL,RR,RU,RD。其属性如下表：

序号 信号名 数据类型 范围 存储类型
1 VeINPR_uint8_PS2RL uint8 [0,1] ImportFromFile
2 VeINPR_uint8_PS2RR uint8 [0,1] ImportFromFile
3 VeINPR_uint8_PS2RU uint8 [0,1] ImportFromFile
4 VeINPR_uint8_PS2RD uint8 [0,1] ImportFromFile

这四个按键的属性和摇杆的四个通道类似，只是范围只有0和1。按下按键的时候，信号值是1，松开的时候，信号值是0。

按下RL或RR时，0号舵机左右转动；按下RU或RD时，1号舵机上下转动。

2.3.3 输出接口

研究舵机控制子系统输出接口之前，首先先研究一下舵机的接口函数。舵机接口函数也是STM32驱动板的配套程序中给出的，如下表所示。

序号 函数名 含义 参数1类型 参数1范围 参数2类型 参数2范围
1 SSenvo(Num,PWM) 舵机接口 uint8 [0,1,2,3] uint16 [500~2500]

舵机控制原理很简单，给舵机输入一个周期为20MS 的PWM波，其中脉冲宽度从0.5到2.5ms，舵机对应的位置为0度到180度。表中的第一个参数是舵机编号，从0到3；第二个参数是舵机的PWM控制参数，从500到2500，也就是us为单位的脉宽。

模型的输出接口就是舵机控制函数的第二个参数，对照表格如下：

序号 信号名 数据类型 范围 存储类型
1 VeOUTR_uint16_Srv0PWM uint16 [500~2500] ExportedGlobal
2 VeOUTR_uint16_Srv1PWM uint16 [500~2500] ExportedGlobal

在执行完模型的step函数后，2个舵机输出接口就会赋值成解算出来的数值。然后调用2次SSenvo(Num,PWM)函数，将输出变量作为第二个参数，就可以控制舵机在这个周期内的目标位置。

2.4 水弹枪控制子系统

2.4.1 子系统模型

水弹枪控制子系统对应功能分析中的第4条： 发射器控制。该子系统根据手柄右手顶部的R1按键的输入，控制继电器的断开和闭合。子系统名为Gun_Ctrl。

2.4.2 输入接口

水弹枪控制子系统的输入接口是右手顶部的按键，简写为R1。这里的名称直接沿用了按键上面刻的字样。其属性如下表：

序号 信号名 数据类型 范围 存储类型
1 VeINPR_uint8_PS2R1 uint8 [0,1] ImportFromFile

这里的按键采用了右手顶部的第一个按键R1，当按下按键的时候，VeINPR_uint8_PS2R1为1，松开的时候，VeINPR_uint8_PS2R1为0。

2.4.3 输出接口

在STM32中，可以配置引脚的GPIO寄存器，来实现该引脚输出高电平或者低电平。这里博主偷了个懒，没有在底层做这样的配置，而是直接沿用了舵机接口函数SSenvo(Num,PWM)，来控制引脚输出高低电平给继电器（3.3v或0v）。

上一小节提到了，舵机接口函数的第二个参数PWM的范围是500~2500。事实上，如果对舵机控制和PWM输出比较了解的话，可以将这个参数设为接近20000的数，然后舵机引脚就会输出接近3.3v的高电平。具体原因博主就不再展开说，有兴趣可以自己做做舵机实验。

根据上面的思路，就可以定义模型的输出接口：

序号 信号名 数据类型 范围 存储类型
1 VeOUTR_uint16_Srv2PWM uint16 [500,19500] ExportedGlobal

从命名上看，还是把接口做成2号舵机的名称。但是，取值范围是500和19500两个整数。取值为500的时候，引脚输出0.1v左右的低电平，继电器保持断开；取值为19500时，引脚输出3.2v左右的高电平，继电器闭合。也就是说，继电器处于常断开的状态，按下R1按键的时候，继电器闭合，水弹枪开始连续发射。

3 数据字典定义

在第二章中，根据架构划分，建立好了各个子系统和输入输出端口。根据其中对输入输出的属性描述，可以在这个阶段顺便建立一下输入输出接口的数据字典。关于数据字典的建立方法，可以参考博主以前的博客《Simulink代码生成：数据字典的建立、关联模型》。
数据字典中如图所示，主要是需要定义名称、类型和存储类型（StorageClass）。对于范围（最大最小值）只是一个概念性的，不需要在数据字典中定义。

4 总结

本文是MBD开发机甲大师控制策略的第三篇，主要设计了模型的架构以及定义了接口相关的属性。下一步会在每个子系统中建立具体的控制策略，也就是软件单元设计阶段。

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