软件功能

本小节对「小霸王Lite」两轮自平衡小车的软件功能进行简单说明。

两轮自平衡小车的关键点在于保持自平衡，程序中的首要任务，就是优先保障小车的直立平衡，即其他功能任务都是在不干扰直立平衡的情况下进行添加。

「小霸王Lite」两轮自平衡小车的程序的主要功能包括：

程序初始化；
对传感器数据、编码器脉冲数据进行读取、处理；
直立控制、速度控制、方向控制；
计算 PWM 输出控制电机；
其他辅助功能：蓝牙遥控、超声波读取、红外信号处理、显示屏刷新、上位机监控等。

上述功能可以分成两大类：第一类包括 2、3、4 功能，它们属于需要精确时间周期执行，因此可以放在一个周期定时中断里完成。第二类包括 1、5 功能，它们的执行不需要精确的时间周期。可以放在程序的主程序中完成。这两类任务之间可以通过全局变量实现相互的通讯。

两轮自平衡小车上电运行后，单片机进行初始化。初始化的工作包括两部分：第一部分是对于各个应用到的模块进行初始化；第二部分是控制程序初始化，是对两轮自平衡小车控制程序中应用到的变量值进行初始化。

初始化完成后，首先进入小车直立平衡检测子程序。该程序通过角度判断车体是否处于可控角度范围内，如果处于可控范围，则立刻启动车体直立控制、速度控制、方向控制以及电机输出。如果不处于可控范围，则一直等待，直到符合条件。

程序在主循环中不停发送监控数据，通过串口与蓝牙模块进行全双工通信，将数据发送到手机或电脑进行监控。同时，在主循环中接受来自手机或手机的要控制指令。

小车的直立控制、速度控制、方向控制以及电机输出都是在定时中断程序中完成。通过全局标志变量确定是否进行这些闭环控制。提起识别、着陆识别、跌倒识别功能函数同样放在中断里，一旦检测到车体失控，则停止电机输出，直至重新符合直立条件。

因为大部分定时器我们都另有他用，于是我们使用 STM32 的滴答定时器，产生 1 毫秒定时中断。中断服务程序的任务被均匀分配在 0~4 的中断片段中，所有中断片段全部执行一遍需要 5ms。因此每个中断片段中的任务执行的频率为 200Hz，即 5ms。

将任务分配到不同的中断片段中，一方面防止这些任务累积执行时间超过 1ms，扰乱 1ms 中断的时序，同时也考虑到这些任务之间的时间先后顺序。当然，也可以将所有的中断任务都合并在一起，使用一个 5ms 的定时中断来完成。

这些任务包括：

电机测速脉冲计数器读取与清除。累积电机转动角度。累积电机速度，为后面速度控制提供平均数。
读取传感器的加速度数据、陀螺仪数据。
直立控制过程，包括姿态角度计算、直立控制计算。
速度控制过程，在这个 1ms 时间片段中，又进行 0~5 计数。在其中第 0 片段中，进行速度 PID 调节。因此，速度调节的周期为 5×5=25 毫秒，也就是每秒钟调节 40次。
方向控制过程，根据 APP 或上位机控制指令（或寻迹时读取红外传感器数值等），计算偏差数值，然后计算电机差速控制输出。
电机使能与失能控制，包括提起识别（悬空检测）、着陆检测、跌倒检测等。
电机输出，融合直立控制、速度控制、方向控制叠加值，最终赋予电机输出。

以上每个中断任务都占用不同的时间，上文中提到，我们设定一个 1ms 定时中断，让这些任务分配在各自的1ms内执行，划分了 0~4 共 5 个 1ms 时间片段，全部任务执行一遍需要 5ms。在程序调试时，需要保证它们都不会超过 1ms。每个任务具体执行时间可以通过示波器测量单片机 IO 引脚电平翻转得到，设定执行某任务前单片机的指定 IO引脚为低电平，执行完任务后，引脚电平翻转为高电平。

从上面任务中断时间波形可以得到每个任务消耗的时间：在中断退出之后，程序继续回到主程序往下执行，完成蓝牙通信和监控调试等工作。