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。
' Y( _+ }- H* w4 }. Q

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

" f0 h  j9 G  d8 p

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 b4 [; U/ e6 I3 {  v3 q6 O

$ ?: [; v) p5 N  o& x) B  Z) \4 H
, @7 C" v: }4 W5 n' N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.

: y8 |: [$ B# w

STM32CubeMx主要配置
$ T  [- O+ X* {: G% v$ G9 s

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。

8 Q$ [4 H) {3 V$ _' x( C9 ], t

TIMER
+ B# B( l0 q+ t' I

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）。
% h% l% K7 H) JPWM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。

/ j* p( w, \0 A; R8 ^( y: 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。

                                                            

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。
" R) k) l0 }& @5 L# D" I7 }这里只需将这些IO口设置为复用推挽输出以及上拉即可。

% n- i* ?, _! g

- h* K4 @( t: y; [6 ?. S1 {

串口配置
1 V+ a+ }, d3 q7 a% x7 l7 @, u+ D

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。

. m- e, \' O9 l, c

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。

6 M' G% q, x& F3 Q5 A1 ~' j

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：
7 G1 k# ?! V: C- |4 N2 [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；
. o+ m% `  X. K! X( Y% g3200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。

; D) d0 H! _( T/ ~4 X8 E) }

1. uint8_t pulse[2];
   ' A3 k6 ?/ p6 G
2. HAL_UART_Receive_IT(&huart2, pulse, sizeof(pulse));

复制代码

; l* Y& N* o; V  L/ [. K  W+ ?

8 y; H$ t5 h. g

串口接受中断函数代码如下：

" ~: Z# c) V% o9 {$ O3 \/ [9 ^

1. void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
   
2. {
   $ e7 k/ S0 A3 L: L: V
3.         if(huart->Instance == USART2)
   
4.         {
   ! G) x9 l9 @/ b1 }$ T9 g
5.                 uint8_t rec0, rec1;
   
6. 
   * k" K5 u2 \8 u) R8 F$ ~
7.                 // 获取接收到的两个字节的数据
   9 N: p4 @8 \4 \8 k( e
8.                 rec0 = *((huart->pRxBuffPtr) - 2);
   , A+ _* L! s0 R/ {, D
9.                 rec1 = *((huart->pRxBuffPtr) - 1);
   1 i" b2 D5 W$ y# Y! [- A
10. 
    
11.                 uint16_t numPart[2], armControl, arm targetPulse;
    + m7 @5 U$ o+ ]' S- [2 ]  D, |
12. 
    
13.                 // 通过移位与强制转换得到uint16_t类型数据
    . Q: K* {) e9 h; |
14.                 numPart[0] = (uint16_t) rec0;
    
15.                 numPart[1] = (uint16_t) rec1;
    
16.                 armControl = ((numPart[0] << 8) | numPart[1]);
    3 ?! T! {7 q7 Y* y
17. 
    
18.                 // 逆向解码
    
19.                 arm = armControl / 1000;  // 舵机编号
    ' `2 b5 ?1 N) q
20.                 targetPulse = armControl % 1000 + 200;        // 目标比较值
    # \' h4 u  e* K/ W! H1 J# H
21. 
      _! q* E9 i2 l! ]  V9 R
22.                 // 通过switch语句改变指定PWM通道的比较值
    : U1 X8 C1 I8 D+ m5 l7 f8 E0 O6 {; [
23.                 switch(arm)
    
24.                 {
      y# P9 \: x' B) P: Q
25.                         case 1:
    " ~+ b8 p; e  W$ Q. b2 T
26.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, targetPulse);
    
27.                                 break;
    
28. 
    / F4 v  k. \# ]: @9 z4 e! T
29.                         case 2:
    
30.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, targetPulse);
    
31.                                 break;
    
32. 
    5 V  g# c! n5 J$ K2 r5 p9 k
33.                         case 3:
    
34.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_3, targetPulse);
    
35.                                 break;
    ! {2 |, t7 i% o" i
36. 
    & Y  A6 i# z7 k1 B
37.                         case 4:
    
38.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_4, targetPulse);
    
39.                                 break;
    4 v* h, d+ v  Q+ u. V7 ?
40. 
    & X# I  g# b/ |6 ]
41.                         case 5:
    
42.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim9, TIM_CHANNEL_1, targetPulse);
    
43.                                 break;
    
44. 
    
45.                         case 6:
    
46.                                 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim9, TIM_CHANNEL_2, targetPulse);
    0 I0 a% q9 N7 \
47.                                 break;
    ( B7 \. x7 T7 i  @. y8 [
48.                 }
    
49.         }
    
50. }
    

复制代码

/ e  K0 y0 m. ^

在进入while循环之前还需将PWM通道使能;

0 w/ G: i. b( `0 h+ G3 U

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);
   % j# S8 J4 ~! V2 [* Y9 W
4.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
   
5.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim9, TIM_CHANNEL_1);
   
6.   HAL_TIM_PWM_Start(&htim9, TIM_CHANNEL_2);

复制代码

0 t( L$ k! g  H- P9 M0 K

- [& G, X+ u; y2 b

并且在USART2_IRQHandler函数中使能串口接收中断：

1 K) H$ U( d/ f! t) C# [

1. void USART2_IRQHandler(void)
   
2. {
   
3.   /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 0 */
   5 Q: ?4 r: _- K# K& c4 V
4. 
   
5.   /* USER CODE END USART2_IRQn 0 */
   
6.   HAL_UART_IRQHandler(&huart2);
   
7.   /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 1 */
   % M' X4 U1 @* V: k& j/ V) ^& P' x
8.   HAL_UART_Receive_IT(&huart2, pulse, sizeof(pulse));
   0 n3 J9 K! S& ]& B" R* \
9.   /* USER CODE END USART2_IRQn 1 */
   
10. }
    6 X8 V2 g/ ?* n. B6 e& V0 |/ G

复制代码

% S( g4 G1 X7 M2 y2 {1 C7 L
测试
/ Q" `( ^" Q/ f9 n0 P

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。

# Z: b9 d/ w( U