普冉PY32系列(十一) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车II

普冉PY32系列(一) PY32F0系列32位Cortex M0+ MCU简介
普冉PY32系列(二) Ubuntu GCC Toolchain和VSCode开发环境
普冉PY32系列(三) PY32F002A资源实测 - 这个型号不简单
普冉PY32系列(四) PY32F002A/003/030的时钟设置
普冉PY32系列(五) 使用JLink RTT代替串口输出日志
普冉PY32系列(六) 通过I2C接口驱动PCF8574扩展的1602LCD
普冉PY32系列(七) SOP8,SOP10,SOP16封装的PY32F002A/PY32F003管脚复用
普冉PY32系列(八) GPIO模拟和硬件SPI方式驱动无线收发芯片XN297LBW
普冉PY32系列(九) GPIO模拟和硬件SPI方式驱动无线收发芯片XL2400
普冉PY32系列(十) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车I - 综述篇
普冉PY32系列(十一) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车II - 控制篇
普冉PY32系列(十二) 基于PY32F002A的6+1通道遥控小车III - 驱动篇

基于PY32F002A的6+1通道遥控小车II - 控制篇

这篇继续介绍6+1通道遥控小车的控制端, 关于遥控手柄的硬件和软件设计的说明

PCB实物

正面

在嘉立创下单了PCB, 收到的是这个样子的.

PCB中二极管的位置稍微偏上, 存在与螺丝短接的风险, 在新的PCB设计中已经将其下移.
无线模块的天线没有覆漆, 在LCEDA中不知道怎么修改. PCB做出来是焊盘的效果(上锡了), 不影响使用.

背面

因为空间限制, PY32F002A和74HC595/165都放到了背面

分割后的各个模块

遥控面板成品

遥控面板的焊接过程运气不错, 从贴片到接插件都是一次成功, 没有返工.

正面

空间限制, 只比一张名片稍微大点, 布局比较局促.
LCD因为是裸片没有托板, 和背光板一起是用热熔胶直接固定在PCB上的.

LCD试车, 显示没问题

背面

正面基本上全是接插件, 如果PY32F002A放到这面, 将来万一烧坏更换非常麻烦, 所以贴片元件都放到了背面
电源接口用的是XH2.54
LCD背光担心电流过大, 补焊串了一颗1KR的电阻

LCD控制界面

这是最终的LCD控制界面

上面两道横杆代表旋钮的模拟量
中间和下方的四道横杆代表摇杆的模拟量
两边的6个数字代表了模拟量的数值, 都是8bit, 从0 - 255
下方的8个方格代表了8个开关量, 高亮(黑)代表按键按下(低电压), 正常(白)代表按键松开(高电压)

软件设计

整体结构

因为只考虑发送, 所以控制端的流程较为简单, 做一个大循环肯定可行, 采集数据 -> 发送数据 -> 采集数据 -> 发送数据. 如果要提升大循环的效率, 因为LCD显示和无线发送共用SPI, 需要保留在大循环, ADC可以用定时器触发做成DMA, 节省出ADC的时间.

最终使用的执行流程是

使用一个uint8_t pad_state[8]存储6+1通道的数据
ADC使用定时器触发, 通过DMA存储转换结果到6个双字节内存地址, ADC DMA转换完成后
- 将结果转为8bit, 存入 pad_state,
- 收集74HC165的按键状态, 合成一个byte 也存入pad_state
- 计算CRC并存至 pad_state 最后一个字节
外层大循环读取 pad_state
- 更新LCD显示
- 通过无线发送数据

主循环

int main(void)
{
  // ...

  /* Infinite loop */
  while(1)
  {
    // 更新LCD显示
    DRV_Display_Update(pad_state);
    // 发送
    wireless_tx++;
    if (XL2400_Tx(pad_state, XL2400_PLOAD_WIDTH) == 0x20)
    {
      wireless_tx_succ++;
    }
    // 每 255 次发送, 打印一次成功次数, 用于标识成功率
    if (wireless_tx == 0xFF)
    {
      wireless_state[10] = wireless_tx_succ;
      DEBUG_PRINTF("TX_SUCC: %02X\r\n", wireless_tx_succ);
      wireless_tx = 0;
      wireless_tx_succ = 0;
    }
    // 延迟可以调节
    LL_mDelay(20);
  }
}

DMA中断

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void)
{
  uint8_t crc = 0;
  if (LL_DMA_IsActiveFlag_TC1(DMA1) == 1)
  {
    LL_DMA_ClearFlag_TC1(DMA1);
    // 转换DMA读数为uint8_t并存入pad_state
    for (uint8_t i = 0; i < 6; i++)
    {
      pad_state[i] = (uint8_t)(*(adc_dma_data + i) >> 4);
      crc += pad_state[i];
    }
    // 从 74HC165 读取按键状态
    pad_state[6] = HC165_Read();
    // 存入CRC结果
    pad_state[7] = crc + pad_state[6];
  }
}

无线通讯

无线部分使用的是硬件SPI驱动的 XL2400, 代码可以参考
https://github.com/IOsetting/py32f0-template/tree/main/Examples/PY32F0xx/LL/SPI/XL2400_Wireless

传输的数据格式为固定长度8字节

#define XL2400_PLOAD_WIDTH       8   // Payload width

其中字节[0, 5]为6个ADC采集的数值结果, 字节[6]为74HC165采集的按键结果, 字节[7]为CRC校验.

收发的地址是固定的(将来需要改进)

const uint8_t TX_ADDRESS[5] = {0x11,0x33,0x33,0x33,0x11};
const uint8_t RX_ADDRESS[5] = {0x33,0x55,0x33,0x44,0x33};

输入采集

ADC采集

DMA初始化

void MSP_DMA_Config(void)
{
  LL_AHB1_GRP1_EnableClock(LL_AHB1_GRP1_PERIPH_DMA1);
  LL_APB1_GRP2_EnableClock(LL_APB1_GRP2_PERIPH_SYSCFG);

  // Remap ADC to LL_DMA_CHANNEL_1
  LL_SYSCFG_SetDMARemap_CH1(LL_SYSCFG_DMA_MAP_ADC);
  // Transfer from peripheral to memory
  LL_DMA_SetDataTransferDirection(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_DMA_DIRECTION_PERIPH_TO_MEMORY);
  // Set priority
  LL_DMA_SetChannelPriorityLevel(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_DMA_PRIORITY_HIGH);
  // Circular mode
  LL_DMA_SetMode(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_DMA_MODE_CIRCULAR);
  // Peripheral address no increment
  LL_DMA_SetPeriphIncMode(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_DMA_PERIPH_NOINCREMENT);
  // Memory address increment
  LL_DMA_SetMemoryIncMode(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_DMA_MEMORY_INCREMENT);
  // Peripheral data alignment : 16bit
  LL_DMA_SetPeriphSize(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_DMA_PDATAALIGN_HALFWORD);
  // Memory data alignment : 16bit
  LL_DMA_SetMemorySize(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_DMA_MDATAALIGN_HALFWORD);
  // Data length
  LL_DMA_SetDataLength(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, 6);
  // Sorce and target address
  LL_DMA_ConfigAddresses(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, (uint32_t)&ADC1->DR, (uint32_t)adc_dma_data, LL_DMA_GetDataTransferDirection(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1));
  // Enable DMA channel 1
  LL_DMA_EnableChannel(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1);
  // Enable transfer-complete interrupt
  LL_DMA_EnableIT_TC(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1);

  NVIC_SetPriority(DMA1_Channel1_IRQn, 0);
  NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn);
}

ADC初始化

void MSP_ADC_Init(void)
{
  __IO uint32_t backup_setting_adc_dma_transfer = 0;

  LL_APB1_GRP2_EnableClock(LL_APB1_GRP2_PERIPH_ADC1);

  LL_ADC_Reset(ADC1);
  // Calibrate start
  if (LL_ADC_IsEnabled(ADC1) == 0)
  {
    /* Backup current settings */
    backup_setting_adc_dma_transfer = LL_ADC_REG_GetDMATransfer(ADC1);
    /* Turn off DMA when calibrating */
    LL_ADC_REG_SetDMATransfer(ADC1, LL_ADC_REG_DMA_TRANSFER_NONE);
    LL_ADC_StartCalibration(ADC1);

    while (LL_ADC_IsCalibrationOnGoing(ADC1) != 0);

    /* Delay 1ms(>= 4 ADC clocks) before re-enable ADC */
    LL_mDelay(1);
    /* Apply saved settings */
    LL_ADC_REG_SetDMATransfer(ADC1, backup_setting_adc_dma_transfer);
  }
  // Calibrate end

  /* PA0 ~ PA5 as ADC input */
  LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_0, LL_GPIO_MODE_ANALOG);
  LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_1, LL_GPIO_MODE_ANALOG);
  LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_2, LL_GPIO_MODE_ANALOG);
  LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_3, LL_GPIO_MODE_ANALOG);
  LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_4, LL_GPIO_MODE_ANALOG);
  LL_GPIO_SetPinMode(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5, LL_GPIO_MODE_ANALOG);
  /* Set ADC channel and clock source when ADEN=0, set other configurations when ADSTART=0 */
  LL_ADC_SetCommonPathInternalCh(__LL_ADC_COMMON_INSTANCE(ADC1), LL_ADC_PATH_INTERNAL_NONE);

  LL_ADC_SetClock(ADC1, LL_ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV2);
  LL_ADC_SetResolution(ADC1, LL_ADC_RESOLUTION_12B);
  LL_ADC_SetDataAlignment(ADC1, LL_ADC_DATA_ALIGN_RIGHT);
  LL_ADC_SetLowPowerMode(ADC1, LL_ADC_LP_MODE_NONE);
  LL_ADC_SetSamplingTimeCommonChannels(ADC1, LL_ADC_SAMPLINGTIME_41CYCLES_5);

  /* Set TIM1 as trigger source */
  LL_ADC_REG_SetTriggerSource(ADC1, LL_ADC_REG_TRIG_EXT_TIM1_TRGO);
  LL_ADC_REG_SetTriggerEdge(ADC1, LL_ADC_REG_TRIG_EXT_RISING);
  /* Single conversion mode (CONT = 0, DISCEN = 0), performs a single sequence of conversions, converting all the channels once */
  LL_ADC_REG_SetContinuousMode(ADC1, LL_ADC_REG_CONV_SINGLE);

  LL_ADC_REG_SetDMATransfer(ADC1, LL_ADC_REG_DMA_TRANSFER_UNLIMITED);
  LL_ADC_REG_SetOverrun(ADC1, LL_ADC_REG_OVR_DATA_OVERWRITTEN);
  /* Enable: each conversions in the sequence need to be triggerred separately */
  LL_ADC_REG_SetSequencerDiscont(ADC1, LL_ADC_REG_SEQ_DISCONT_DISABLE);
  /* Set channel 0/1/2/3/4/5 */
  LL_ADC_REG_SetSequencerChannels(ADC1, LL_ADC_CHANNEL_0 | LL_ADC_CHANNEL_1 | LL_ADC_CHANNEL_2 | LL_ADC_CHANNEL_3 | LL_ADC_CHANNEL_4 | LL_ADC_CHANNEL_5);

  LL_ADC_Enable(ADC1);

  // Start ADC regular conversion
  LL_ADC_REG_StartConversion(ADC1);
}

用于触发ADC的TIM1定时器初始化

void MSP_TIM1_Init(void)
{
  LL_TIM_InitTypeDef TIM1CountInit = {0};

  // RCC_APBENR2_TIM1EN == LL_APB1_GRP2_PERIPH_TIM1 
  LL_APB1_GRP2_EnableClock(RCC_APBENR2_TIM1EN);
  
  TIM1CountInit.ClockDivision       = LL_TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  TIM1CountInit.CounterMode         = LL_TIM_COUNTERMODE_UP;
  // 系统时钟48MHz, 预分频8K, 预分频后定时器时钟为6KHz
  TIM1CountInit.Prescaler           = (SystemCoreClock / 6000) - 1;
  // 每600次计数一个周期, 每秒10个周期, 可以减小数值提高频率
  TIM1CountInit.Autoreload          = 600 - 1;
  TIM1CountInit.RepetitionCounter   = 0;
  LL_TIM_Init(TIM1, &TIM1CountInit);
  /* Triggered by update */
  LL_TIM_SetTriggerOutput(TIM1, LL_TIM_TRGO_UPDATE);
  LL_TIM_EnableCounter(TIM1);
}

开关量采集

74HC165的状态读取

uint8_t HC165_Read(void)
{
    uint8_t i, data = 0;

    HC165_LD_LOW;  // Pull down LD to load parallel inputs
    HC165_LD_HIGH; // Pull up to inhibit parallel loading

    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        data = data << 1;
        HC165_SCK_LOW;
        HC165_NOP; // NOP to ensure reading correct value
        if (HC165_DATA_READ)
        {
            data |= 0x01;
        }
        HC165_SCK_HIGH;
    }
    return data;
}

74HC165的示例代码, 可以参考 https://github.com/IOsetting/py32f0-template/tree/main/Examples/PY32F0xx/LL/GPIO/74HC165_8bit_Parallel_In_Serial_Out

LCD显示

PY32F002A驱动ST7567的示例代码可以参考 Examples/PY32F0xx/LL/SPI/ST7567_128x64LCD, 但是这个示例, 包括GitHub上可以搜到的其它示例, 都是使用 128 x 8 的内存作为显示缓存, 通过读写这块缓存再将缓存内容写入 ST7567 实现的显示内容更新. 这种方式可以实现非常灵活的显示, 缺点就是需要占用1KB的内存. 对于STM32F103这类有16KB或20KB内存的控制器, 1KB内存不算什么, 但是 PY32F002A 只有4KB内存, 1KB就值得考虑一下了. 因为遥控部分的数显, 显示格式相对固定, page之间可以相互独立, 没有相互交叠的部分, 启动后只需要显示滑动条和读数, 因此完全可以采用直接输出的方式.

换成直接输出后就变成这样的显示函数了, 定制LCD显示是比较费时费事的一步.

移动光标到坐标

void ST7567_SetCursor(uint8_t page, uint8_t column)
{
    ST7567_WriteCommand(ST7567_SET_PAGE_ADDRESS | (page & ST7567_SET_PAGE_ADDRESS_MASK));
    ST7567_WriteCommand(ST7567_SET_COLUMN_ADDRESS_MSB | ((column + ST7567_X_OFFSET) >> 4));
    ST7567_WriteCommand(ST7567_SET_COLUMN_ADDRESS_LSB | ((column + ST7567_X_OFFSET) & 0x0F));
}

指定宽度和偏移量, 填入固定内容

static void DRV_DrawRepeat(uint8_t symbol, uint8_t width, uint8_t offset, uint8_t colorInvert)
{
  symbol = symbol << offset;
  symbol = colorInvert? ~symbol : symbol;
  ST7567_TransmitRepeat(symbol, width);
}

画出横条

static void DRV_DrawHorizBar(uint8_t page, uint8_t column, uint8_t size)
{
  ST7567_SetCursor(page, column);
  DRV_DrawRepeat(0x7E, 1, 0, 0);
  DRV_DrawRepeat(0x42, size, 0, 0);
  DRV_DrawRepeat(0x7E, 1, 0, 0);
}

在横条中画出高亮滑块

static void DRV_DrawHorizBarCursor(uint8_t page, uint8_t column, uint8_t value, uint8_t barWidth, uint8_t cursorWidth, uint8_t direction)
{
  value = direction? value : 255 - value;
  ST7567_SetCursor(page, column + 1);
  DRV_DrawRepeat(0x42, barWidth, 0, 0);
  ST7567_SetCursor(page, column + 1 + (value * (barWidth - cursorWidth) / 255));
  DRV_DrawRepeat(0x7E, cursorWidth, 0, 0);
}

画出竖条和竖条光标的方法更复杂, 这里就不贴代码了.

在main函数的while循环中, 每次会更新LCD显示

void DRV_Display_Update(uint8_t *state)
{
  // 更新按键显示
  DRV_DrawKeyState(*(state + 6));
  // 更新4个横条的显示
  DRV_DrawHorizBarCursor(0, 10, *(state + 4), 50, 4, 0);
  DRV_DrawHorizBarCursor(0, 65, *(state + 5), 50, 4, 1);
  DRV_DrawHorizBarCursor(7,  0, *(state + 1), 60, 4, 0);
  DRV_DrawHorizBarCursor(7, 65, *(state + 2), 60, 4, 1);
  // 更新2个竖条显示, 因为竖条处于多个page, 每次更新显示都需要全部重绘
  DRV_DrawVertiBar(0, 1, 52);
  DRV_DrawVertiBarCursor(0, 1, 52, *(state + 0), 4, 0);
  DRV_DrawVertiBar(121, 1, 52);
  DRV_DrawVertiBarCursor(121, 1, 52, *(state + 3), 4, 1);
  // 输出6个模拟通道的数值(0 ~ 255)
  DRV_DrawNumber(1, 10, *(state + 4));
  DRV_DrawNumber(1, 100, *(state + 5));

  DRV_DrawNumber(4, 10, *(state + 0));
  DRV_DrawNumber(4, 100, *(state + 3));

  DRV_DrawNumber(5, 10, *(state + 1));
  DRV_DrawNumber(5, 100, *(state + 2));
}