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。
4 n1 @& G( A# k2 B$ I9 D

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

: F4 s; c( T3 ]& }! T

PWM舵机控制原理

1 U1 y% y  W' s' t

标准的 PWM 舵机有三条控制线，分别为:电源、地及信号线。

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.

; Q+ r4 X/ O" S% L/ a/ {2 {" D) D6 G1 K

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。

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）。
8 a! e4 y/ b9 I  S1 c) X  bPWM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。

2 \' X4 d3 a1 h% g4 f8 {

  A0 Q$ Z, M4 J7 t, i% G
+ T* S3 X! C( z3 C! X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。

: n7 ~3 W9 R5 S

                                                            

7 P9 L/ ?5 h5 R( b! x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。
# [% ]* i2 L2 R) z+ y/ b* k这里只需将这些IO口设置为复用推挽输出以及上拉即可。

0 |* R  U- l# Q* L0 M8 ?3 [7 a
8 s5 j7 l8 C" _& U

串口配置

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

; R7 u" L8 @- P2 t; i( E4 Z

串口的配置如图所示。

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。

8 I, w1 M2 P0 ~/ H

PA2与PA3均设置为复用推挽输出，上拉。

' J  [0 ^) r; d) t7 U4 u

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

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：
+ P2 z) w2 r2 b4 R! z$ F0 F$ @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：
9 p0 E1 p% G- w3 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。

; X8 m! l, t# E

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

串口接受中断函数代码如下：

9 @' D8 k; M) ?! P4 x9 E+ \& J

1. void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
   ) ], a6 p" o5 E9 q" M& [
2. {
   
3.         if(huart->Instance == USART2)
   : l' y6 K( D7 ^4 v+ j0 Z% l  J
4.         {
   6 [! }7 T7 D) ~
5.                 uint8_t rec0, rec1;
   
6. 
   ) t7 D: j) b% U( M2 G3 l. M
7.                 // 获取接收到的两个字节的数据
   
8.                 rec0 = *((huart->pRxBuffPtr) - 2);
   & {. A! W# ^* R1 x0 W5 s2 T+ f, @) w' b/ W
9.                 rec1 = *((huart->pRxBuffPtr) - 1);
   
10. 
    # {) y' [& u$ }% g" I! W
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
    ; E7 o; B' b% w6 J3 k
14.                 numPart[0] = (uint16_t) rec0;
    & ^2 I# P9 |/ s5 |% h
15.                 numPart[1] = (uint16_t) rec1;
    ! ?/ y4 Y& E7 S
16.                 armControl = ((numPart[0] << 8) | numPart[1]);
    2 }+ o+ v/ ?2 T- A$ u
17. 
    
18.                 // 逆向解码
    
19.                 arm = armControl / 1000;  // 舵机编号
    
20.                 targetPulse = armControl % 1000 + 200;        // 目标比较值
    
21. 
    % o( b7 I; n& v4 J& q% _( t
22.                 // 通过switch语句改变指定PWM通道的比较值
    ' }5 k$ o. i3 U3 B
23.                 switch(arm)
    
24.                 {
    # B7 y9 I" l! i) S
25.                         case 1:
    
26.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, targetPulse);
    
27.                                 break;
    
28. 
    
29.                         case 2:
    
30.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, targetPulse);
    : M* C, M) ]# ?% b7 ~$ Z  P
31.                                 break;
    
32. 
    
33.                         case 3:
    ' t9 m. ?+ c7 }
34.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_3, targetPulse);
    2 o! W1 Q: G2 w9 c, d3 {7 V6 j7 V
35.                                 break;
    ( V$ @0 n1 p' S- P: m( V7 k- ]
36. 
    % H8 n0 K+ g9 m2 L* d0 Q/ x
37.                         case 4:
    9 d2 P4 T/ B7 Y" g
38.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_4, targetPulse);
    
39.                                 break;
    
40. 
    
41.                         case 5:
    
42.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim9, TIM_CHANNEL_1, targetPulse);
    
43.                                 break;
    & r: ]' d8 T% J, q  v% P0 Z
44. 
    
45.                         case 6:
    ' j  L6 i- x) {7 a3 }* Q' \4 @
46.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim9, TIM_CHANNEL_2, targetPulse);
    
47.                                 break;
    
48.                 }
    
49.         }
    
50. }
    

复制代码

* ^7 T) ^+ z' `. ]! l7 z7 v0 s. Y

在进入while循环之前还需将PWM通道使能;

3 P; D# Z5 ?7 I) ~& A/ g+ b. R; B8 @

1.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
   
2.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
   
3.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3);
   - b2 t/ F  i2 d7 U9 t
4.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
   4 b: Q% w: L" n" O
5.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim9, TIM_CHANNEL_1);
     V, [, G' n7 i1 _+ J# K
6.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim9, TIM_CHANNEL_2);

复制代码

) f/ f; R. _: c8 W! [1 D: W1 m) \5 h

并且在USART2_IRQHandler函数中使能串口接收中断：

1. void USART2_IRQHandler(void)
   5 P+ f, u! g1 @* f
2. {
   
3.   /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 0 */
   
4. 
   
5.   /* USER CODE END USART2_IRQn 0 */
   $ t0 J' J3 \# q4 {+ D1 R/ ^+ @
6.   HAL_UART_IRQHandler(&huart2);
   3 R5 S* I' U: b7 b' {6 I
7.   /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 1 */
   ! {& \. y( Z7 f% m
8.   HAL_UART_Receive_IT(&huart2, pulse, sizeof(pulse));
   . D4 b6 `8 _$ z) _6 I3 ?
9.   /* USER CODE END USART2_IRQn 1 */
   
10. }
    4 u( d" `+ p/ {/ T! w& j2 C

复制代码

6 V1 c/ k9 e% m5 N3 P测试
1 G5 ~0 ^' f5 y+ T8 @% @4 r

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。

. r7 A9 Y. B" [5 W: k7 C" ^1 t$ \