Re：从零开始的基于 ESP32 开发步进云台解码版 [复制链接]

上一主题下一主题查看指定楼层

离线叶浩轩

注册用户

发帖: 36

只看楼主倒序阅读 0楼发表于: 04-18

Re：从零开始的基于ESP32开发步进云台解码版

本文约2600字，撰写用时120分钟。
特别鸣谢：BI6OPR 提供的思路与原始程序
本文遵循CC BY-NC-SA 4.0协议，保留著名权。
正文开始！

前言

笔者在筹建自己的射电天文望远镜，抛物面准备好了，但是发现旋转器真的贵得离谱。比如Yaesu的G5500，一个就要到大几千，实在破不起这费。在圈内一些大佬的指引下，发现了一款解码板被拆了的重载步进云台，了解到BI6OPR大佬已经初步将其适配了Pelco-D协议，但是还不是很完善。笔者对编程略知一二，按照大佬和网上的资料摸爬滚打，终于在BI6OPR提供的原始程序的基础上做出了比较满意的Pelco-D解码。著此文章来分享一些我的拙见，希望可以给各位朋友提供一些这方面的思路。

硬件方面

笔者~~考虑到自己的技术能力~~，最终放弃STM32而是选择了更加适合于物联网IoT的ESP32系列芯片。基本思路是通过ESP32芯片的IO引脚对云台进行方向控制以及PWM调速，使用ESP32芯片的TTL串口于电脑建立通讯，接收转向命令，并发送转向状态给电脑端。步进电机驱动器使用了24V交流大功率驱动板。
注：本文章主要分享固件代码部分，关于硬件部分请移步至Github。

代码实现

由于使用了ESP32系列芯片，在MicroPython和C++中选择了C++进行开发~~（当然不是因为新版Pycharm不兼容MicroPython而抛弃的它）~~。IDE采用了我们亲爱的VS Code，搭配PlatformIO，开发起来还是比较舒服的。
我们现在代码开头引入Arduino库，以便后续调用：
#include <Arduino.h>
ESP32是单片机，依靠循环来完成相应代码任务，即为循环loop()函数中的代码。基本思路是不断循环读取串口的数据，若读到相应命令，则进行转向控制后继续读取串口数据，若串口发来停止转动指令，或新的指令，则执行新的指令。
首先，让我们在setup()函数中对单片机启动时进行初始化。

配置波特率为9600串口：

Serial.begin(9600);

初始化板载LED指示灯以及对于控制步进电机控制板的相关IO引脚：

// 设置IO输入输出
const int AZ_DIRECTION_PIN = 26;
const int EL_DIRECTION_PIN = 27;
pinMode(LED_MSG_PIN, OUTPUT);
pinMode(AZ_DIRECTION_PIN, OUTPUT);
pinMode(EL_DIRECTION_PIN, OUTPUT);
pinMode(AZ_SPEED_PUL_PIN, OUTPUT);
pinMode(EL_SPEED_PUL_PIN, OUTPUT);
// 初始化信号灯
digitalWrite(LED_MSG_PIN, LOW);

初始化用于控制云台转速的硬件级PWM输出端口：

const int PWM_FREQ = 10000; // PWM 频率（单位：Hz）
const int PWM_RESOLUTION = 8; // 分辨率（8 位时，占空比范围 0-255）
const int AZ_SPEED_PUL_PIN = 25;
const int EL_SPEED_PUL_PIN = 14;
ledcSetup(0 , PWM_FREQ, 8);
ledcAttachPin(AZ_SPEED_PUL_PIN, 0);
ledcSetup(1 , PWM_FREQ, 8);
ledcAttachPin(EL_SPEED_PUL_PIN, 1);

数据的读取：

在setup()初始化完一切需要用到的东西后，我们就可以进行对串口发来的Pelco-D命令进行接收。
我们定义一个新的函数，名为readSerialData()，用于读取串口数据。
参阅Pelco-D的开发手册，注意到标准Pelco-D消息由7个字节的16进制数据组成，其中要用到的是两个数据位以及最后一个校验位。
我们先用代码读取7个字节的数据：
int rlen = Serial.readBytes(buf, 7);
然后利用校验位校验数据是否正确，若正确再做下一步拆解处理：
if (rlen == 7 && buf[0] == 0xFF && buf[1] == 0x01)
为了同一个数据被进行多次解析执行，还要添加判断数据是否于上一次读取到的不同，若不同，再执行。如果这个判读不做会出现转动一卡一卡的问题：
if (command != currentCommand) // 只有在接收到新的命令时才处理
{
handlePelcoDCommand(command);
currentCommand = command; // 更新当前命令
}
至此数据的读取与拆解完毕。

数据的执行：

我们定义一个函数handlePelcoDCommand(int command)用于解析读取的数据并进行对步进电机驱动板的控制。
其中传入的int类型command变量是上文中分解到的最终控制命令，Pelco-D协议的基本转向命令分为停止、上、下、左、右，分别对应数据0、2、4、8、16，当然还有左上、右下之类的，这里不过多赘述。
我们先创建一个索引（其实官方名称我不确定是不是这个，~~叫习惯了~~）switch (command)，将所有命令放入这个索引中。
接下来我们以右转为例，首先右转对应的命令位2，我们在索引中写入：
case 2:
这代表当传入的command变量为2时执行接下来的代码块。
然后我们将控制水平的Az驱动电机的引脚设置为高电平：
digitalWrite(AZ_DIRECTION_PIN, HIGH);
并设置PWM调速命令执行的bool值为True：
is_azcontrol_stepper = true;
只有这样电机才会知道要按照什么速度转动，以上二者缺一不可。
这个bool变量在下一章的PWM调速中会提及。
于是控制右转的完整代码块为：
case 2: // 右转
digitalWrite(AZ_DIRECTION_PIN, HIGH);
is_azcontrol_stepper = true;
Serial.println("0002.");
其中 Serial.println("0002.");为向串口输出调试数据，用于程序的调试，可忽略不写。

loop()函数以及PWM调速：

我们在上文提及，ESP32系列芯片是在循环某个代码块以达到相应目的。
我们想让上面的函数执行起来，必须将他们加入至loop()函数中（setup()函数除外），否则他们不会被执行。
我们在主程序中创建loop()函数：
void loop()
{
....这里放你的代码或函数....
}
首先将我们上文写到的读取串口数据函数丢进去：
readSerialData();
然后要判断上文的PWM调速的bool变量是否为True，如果为True，则启动PWM调速（这里可以另开一个函数，~~我懒就直接丢loop()里了~~）:
if (is_azcontrol_stepper)
{
ledcWrite(0, 128);
}
if (is_azcontrol_stepper == false)
{
ledcWrite(0, 0);
}
垂直方向的El电机同理。
解释一下ledcWrite(int a, int b);这条调用。其中int a代表了PWM输出通道，在前文setup()函数中我们将0通道指向了25号IO引脚，所以他就会在25号引脚输出方波PWM信号；int b代表了输出信号的频率，通过调整这个变量可以调控相应电机的转动速度，0则为停止。
最后在loop()里放入通过串口发送当前运行状态的函数：
printStatus();
这个函数下一章会详细阐述。
为了让这个函数不阻塞串口以及程序，我们对他加上一个定时器，定时执行：
if (currentMillis - previousMillis >= interval)
{
previousMillis = currentMillis;
printStatus();
}

状态回传函数：

为了在电脑端可以顺利了解云台运动状态，我们可以通过串口回传云台的相关状态。
我们定义一个printStatus();函数，用于存放状态回传的代码块。
其中代码就是将目前状态通过串口打印，不过多赘述：
Serial.print("Current Status - AZ Direction: ");
Serial.print(az_stepper_direction ? "Forward" : "Backward");
Serial.print(", EL Direction: ");
Serial.print(el_stepper_direction ? "Forward" : "Backward");
Serial.print(", AZ Control: ");
Serial.print(is_azcontrol_stepper ? "On" : "Off");
Serial.print(", EL Control: ");
Serial.println(is_elcontrol_stepper ? "On" : "Off");
具体包含了当前云台是否转动以及转向方向。

更进一步：WIFI控制

为了适配DTrac等安卓APP，也为了更方便的控制，我们可以将从串口读取数据改为从网络通过TCP协议读取数据。由于ESP32模块自带WiFi，故不需要加装其他硬件便可实现。
因为要调用WiFi模块，我们需要在代码开头导入WIFI库，以便后续调用：
#include <WiFi.h>
接下来要配置WiFi接入点信息，在代码头部配置，不要放入函数中：
const char* ssid = "你的WiFi名";
const char* password = "你的WiFi密码";
对于TCP协议，需要定义一个端口来通讯。我们使用80端口，在代码头部配置：
const int serverPort = 80;
接下来设置TCP模块为服务器模式，在代码头部配置：
WiFiServer server(serverPort);
WiFiClient client;
接下来要在setup()函数中初始化WiFi并进行连接操作：
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(1000);
Serial.println("Connecting to WiFi...");
}
Serial.println("Connected to WiFi");
Serial.print("IP address: ");
Serial.println(WiFi.localIP());
其中 Serial.println(WiFi.localIP());语句会在串口输出ESP32开发板的IP地址，也可以前往路由器后台获取。
接下来还是在setup()函数中，启动TCP服务器：
server.begin();
Serial.println("TCP Server started");
由于我们已经不用串口读取数据，而是改为WiFi读取，所以要将原来的readSerialData()函数改为readWifiData()函数，函数内代码如下，不过多赘述：
if (!client) { // 如果没有活跃的客户端
client = server.available(); // 检查新连接
if (client) {
Serial.println("New client connected");
}
} else { // 处理已连接的客户端
if (client.connected() && client.available() >= 7) {
int rlen = client.readBytes(buf, 7);
if (rlen == 7 && buf[0] == 0xFF && buf[1] == 0x01 && buf[3] != 0x53 && buf[3] != 0x51) {
int command = buf[3];
if (command != currentCommand) {
handlePelcoDCommand(command);
currentCommand = command;
}
这样就能成功从网络读取到Pelco-D命令。

后记

感谢各位的阅读，本文在我的个人博客中发布，并搬运至各大论坛。若有不妥之处，请及时联系。笔者技术力有限，若有错误，敬请谅解。若喜欢这个项目，麻烦Star~若有疑问，请前往Github创建issue。