通常的机械臂都是由多路舵机组成，我使用的是某宝上（并不）常见的五自由度机械臂。尽管商家称它为六自由度。

这里使用STM32F407VGT6的6路PWM输出通道来控制6个舵机的运动，树莓派（上位机）通过USB转TTL模块与STM32进行串口通讯

PWM舵机控制原理

标准的 PWM 舵机有三条控制线，分别为:电源、地及信号线。
9 Q4 c+ N8 O5 r

市面上大多数180°舵机需要的PWM波周期通常为20ms，高电平接收时间通常为0.5 ~ 2.5ms，对应舵机旋转角度为0 ~ 180°。用PWM波控制舵机时，只需将时钟的周期设置为20ms（50Hz），并且通过改变比较值pulse改变PWM波的高电平时间来控制舵机旋转的角度.

$ {! R( I. N( L% E" w8 U2 m

STM32CubeMx主要配置

对于STM32，我使用的是STM32CubeIDE + Mx 进行开发。时钟框图为默认配置，如图。

1 `2 n5 d$ W/ Q5 @1 r7 z) z, j

% m' y$ ]# H0 Q: V; E& p4 U
. r; C7 e( n( ^% J( C

TIMER

由于需要控制6个舵机，我选择了TIM3（4路PWM输出）和TIM9（2路PWM输出）。
PWM输出的频率由时钟APB2决定，由时钟框图可知此处的APB2频率为16MHz；PWM波频率计算公式为：

W = APB2 / (PSC + 1)(ARR + 1)

其中PSC为分频系数，ARR为自动重装载值。这里我将PSE设置为39，ARR设置为7999。

1 m! g9 t5 }4 O2 \6 c

& g* R4 H$ L0 F1 }( Q% N8 p
注意，这里的计数模式(Counter Mode)不同时，会导致接下来比较值值相同时舵机的旋转方向不同。

由于PWM波高电平时间需控制在0.5 ~ 2.5ms内，所以各PWM通道的比较值（pulse）必须控制在200 ~ 1000之内; （8000 x 0.5 / 20 = 200）（8000 x 2.5 / 20 = 1000）

当舵机旋转角度为90°时，pulse值应为600。这里我将各个PWM输出通道的比较值均设置为600。

! \( s- c# j! v/ i% Z

                                                            

- d6 r3 W( h; E/ c/ C由于我手头上的机械臂中的一个舵机用于控制机械爪，其为90°舵机，所以在配置控制该舵机的PWM通道时，比较值范围仅能为200 ~ 600，中间值为400我使用的单片机为STM32F407VGT6，其TIM3和TIM9所对应的PWM输出通道分别为PA6, PA7, PB0, PB1和PE5, PE6。
* p9 g/ I$ |2 u5 u6 ~8 J8 K/ g这里只需将这些IO口设置为复用推挽输出以及上拉即可。

  `+ h" J; O: a; T0 D: i6 i

! R7 G7 M! r9 o. ?) P% r! |

串口配置
2 c' P5 n# F1 L5 y9 m+ r# j

这里我选择USART_2用作串口通讯，其Tx与Rx分别对应为PA2、PA3。

串口的配置如图所示。

( j- A5 }) q  H3 k
这里使用异步通信模式，注意波特率等参数需与上位机相匹配。

PA2与PA3均设置为复用推挽输出，上拉。

" v" R; P& L# l. @% g( ^

中断控制

由于这里我只使用了串口接收中断，所以NVIC这里可以不用配置；若STM32除了控制机械臂外还有其余任务，则可能需要配置NVIC。

STM32CubeIDE代码实现

在STM32CubuMx配置完毕并生成工程之后，我们的主要任务只有设计上位机与单片机的通讯协议，以及完成串口接收中断函数即可。

通讯协议设计
7 c3 F* F2 g# T: x

我初步的设计为串口发送一次数据，控制单个舵机的角度；所以发送的数据中需要包括舵机的编号以及舵机的目标角度（或者由角度转换而成的比较值）。

在这里我没有设计通讯头以及对舵机转速的控制，因为这里我的串口只用于传输控制舵机的指令，以及我使用的是小型舵机，其转速并不是很快，可以满足我的要求，无需控制其速度。

设计思路如下：
上位机每次发送16位的数据（2个uint8_t类型，串口只能发送串口），舵机编号为0~5，发送的pulse值为 (200 ~ 1000) - 200，将舵机编号数值乘以1000加上pulse值减去200得到一个uint16_t类型的数值；再将其转换为十六进制进行发送。

例：对3号舵机进行操作，角度为45°。

数据处理：
3 x 1000 + (45° / 180°) x 800 = 3200；
3200转换为十六进制为：0x0C80。

STM32进行逆向操作得到原数据。

STM32代码实现

由于串口发送的是两个uint8_t类型的数据，所以在解码之前还需将两个uint8_t类型数据转换为一个uint16_t类型的数据。

在打开USART2的接收中断时，设置为接受到两个uint8_t类型的数据进入接收中断，以便于在接收中断处理函数中进行数据处理。

1. uint8_t pulse[2];
   
2. HAL_UART_Receive_IT(&huart2, pulse, sizeof(pulse));

复制代码

: g6 f( e$ u1 ?) B4 w7 g# j

9 g$ w4 w3 C( v8 n2 p

串口接受中断函数代码如下：

1. void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
   
2. {
   . L) K- O# A$ W0 }5 ^
3.         if(huart->Instance == USART2)
   
4.         {
   . R7 X  a9 A4 T; T2 \3 C
5.                 uint8_t rec0, rec1;
   . g1 j( k1 p. J4 v! n) ~4 V
6. 
   . @0 P- |& k+ g3 o* ~5 T
7.                 // 获取接收到的两个字节的数据
   
8.                 rec0 = *((huart->pRxBuffPtr) - 2);
   7 v* M$ N- O" `3 X' f. \
9.                 rec1 = *((huart->pRxBuffPtr) - 1);
   
10. 
    
11.                 uint16_t numPart[2], armControl, arm targetPulse;
    
12. 
    
13.                 // 通过移位与强制转换得到uint16_t类型数据
    / n# u; [* J8 \, B8 @* w9 ~, d
14.                 numPart[0] = (uint16_t) rec0;
    
15.                 numPart[1] = (uint16_t) rec1;
    
16.                 armControl = ((numPart[0] << 8) | numPart[1]);
    
17. 
    
18.                 // 逆向解码
    
19.                 arm = armControl / 1000;  // 舵机编号
      ~" `7 r8 D: Q' X8 A3 ~
20.                 targetPulse = armControl % 1000 + 200;        // 目标比较值
    
21. 
    9 {1 }' B1 u5 v
22.                 // 通过switch语句改变指定PWM通道的比较值
    - y8 l1 B8 @5 [
23.                 switch(arm)
    
24.                 {
    7 B2 j) j4 M; X8 m
25.                         case 1:
    8 B  K3 O3 a- p& b
26.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, targetPulse);
    
27.                                 break;
    . ?8 `: u* X) Z% T$ {! f
28. 
    ( B' B9 f2 ^6 {- b1 g9 `1 F+ W8 l
29.                         case 2:
    , ?5 v# u" L8 _8 ]
30.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, targetPulse);
    
31.                                 break;
    ' n; K8 v7 |8 E$ d/ {
32. 
    3 l; V$ A7 F( t
33.                         case 3:
    , U" p( t1 [; \' ^* u
34.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_3, targetPulse);
    ; t$ i! s# p2 F4 b# I4 F& m8 {
35.                                 break;
    - j( U+ W+ l2 @, z
36. 
    7 H  Z0 s9 ^4 e
37.                         case 4:
    4 e4 I+ E2 O5 m
38.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_4, targetPulse);
    * i' \! _3 [$ j4 q( K
39.                                 break;
    1 I  ~0 T2 A" ?8 P
40. 
    ; M5 _% W0 A/ q$ t$ Y, F8 f
41.                         case 5:
    
42.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim9, TIM_CHANNEL_1, targetPulse);
    $ Y& A, E9 |; _+ W
43.                                 break;
    
44. 
    
45.                         case 6:
    
46.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim9, TIM_CHANNEL_2, targetPulse);
    1 a7 y( f& W( M& F1 c
47.                                 break;
    
48.                 }
    
49.         }
    . ^1 {3 B$ ?3 ?. C+ N8 w
50. }
    , L2 k2 \) S) }+ T6 S

复制代码

在进入while循环之前还需将PWM通道使能;

8 Q& Y2 n2 i7 Z( h

1.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
     N* q7 E& [) J+ Q" S/ \+ X
2.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
   % o! ~, P7 n& R7 i& @
3.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3);
   1 j( T1 ~. E2 O, [! n
4.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
   
5.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim9, TIM_CHANNEL_1);
   7 m3 I4 u6 R3 n! V$ P* ^! X
6.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim9, TIM_CHANNEL_2);

复制代码

* J7 j6 n/ Q9 {

, l, q) o- c. n( l4 V8 P& ?

并且在USART2_IRQHandler函数中使能串口接收中断：

1. void USART2_IRQHandler(void)
   5 A% \% M) }. `( F$ P6 V7 `4 v
2. {
   - k" S+ Y0 u7 _7 \
3.   /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 0 */
   8 u/ x6 ^8 D+ P$ I0 ]) e
4. 
   1 k; Z7 ?% E: F9 Q1 O* ^
5.   /* USER CODE END USART2_IRQn 0 */
   & d: ~+ c- v0 _( V. b: u0 o
6.   HAL_UART_IRQHandler(&huart2);
   
7.   /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 1 */
   1 g* v# R  H6 G3 A8 D
8.   HAL_UART_Receive_IT(&huart2, pulse, sizeof(pulse));
   
9.   /* USER CODE END USART2_IRQn 1 */
   
10. }
    9 l$ G; ?4 k. g  @

复制代码

5 }6 u5 t7 v6 X测试

在测试时我使用的环境是安装有Ubuntu 18.04的树莓派，串口调试工具为CuteCom；由5V锂电池为单片机与舵机（机械臂）供电，每次手动发送两个字节的数据，十进制转十六进制在科学计算器上进行。机械臂的运动符合预期。

经过测试，同时发送12个字节的数据，机械臂也能够正常运行。

这里需要注意，在接线时，舵机的地线必须与单片机共地。

之后就可以将上位机串口发送的代码写入C++或者Python程序，通过上位机控制机械臂。