【N32电机控制大赛】基于N32G455VE微控制器的电机控制机械臂

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【N32电机控制大赛】基于N32G455VE微控制器的电机控制机械臂

项目概述

本次参赛题目是基于N32G455微控制器的电机控制机械臂。

我国是制造业大国，之前以劳动密集型产业为主，廉价的劳动力是主要特征，也是明显优势。随着时代的发展，工业技术的进步，国家在工业制造业上的战略调整。智能制造伴随着工业4.0的科技浪潮便被推上前沿。

本次DIY参赛亦出于对工业4.0的向往，利用国民技术高性能工业MCU，型号N32G455VE作为核心主控，对六自由度机械臂系统进行设计。设计制作了一款具有人机交互功能的机械臂。

通过对系统总体方案的设计，建立机械臂模型，选取关节连接器，电机，主控芯片和电源等部件。

通过手动发送命令，控制机械臂运动操作，对泡沫块，小木块分别进行抓取实验。

实验结果表明，对物体的抓取成功。实验过程稳定可靠，满足设计系统可行性要求。

本次实验为使用视觉识别，AI主动定位与抓取等应用提供技术基础。初探机械臂在工业领域的应用，对改善传统工业结构具有重要意义。

硬件设计
系统框图

设计需求

本次对六自由度机械臂的舵机驱动均使用PWM波方式。在N32G455中使用TIM2与TIM3各3路PWM输出引脚。

6路PWM输出引脚分配列表如下：

            

外设	引脚	remap配置
TIM2,CH2	PA1	TIM2_REMAP=10
TIM2,CH3	PB10	TIM2_REMAP=10
TIM2,CH4	PB11	TIM2_REMAP=10
TIM3,CH1	PC6	TIM3_RMP[1:0] = 11
TIM3,CH2	PC7	TIM3_RMP[1:0] = 11
TIM3,CH3	PC8	TIM3_RMP[1:0] = 11

在电源设计上面，针对6路舵机设计单独供电，即舵机控制板驱动侧电源电压为+5V供电，在本次实验中，我们选用一款5v2A输出的手机充电器电源做为电机驱动侧供电电源。

由于控制板信号侧使用开发板电源，电压为+3.3V供电，因此，借助光耦电路模块对信号进行隔离，保护信号侧电路。

光耦电路的设计中，PWM波需要的正向脉宽，但光耦对信号有反向器的作用，因此，我们在光耦的输出侧又串连的三极管电路，将反向的信号再次反向，使得隔离模块对信号正向实现，保证隔离驱动电路与MCU侧信号电平保持一致。原理图如下：

说完与硬件交互的外设，再来说说人机交互的外设——CAN外设。

本次实验将CAN外设做为人机交互的通讯接口。本次采用手动控制方式，做为基础实验原理性验证。后续将结合边缘计算与AI系统，依旧使用CAN通讯接口操控机械手臂。

调试接口

本次使用串口usart1，9600-n-8-1，做调试数据输出接口，实时打印操作记录，便于我们调试与发现问题。

   

测试
PCB原理图

表情

软件设计
设计需求

软件架构上面，本次移植使用FreeRTOS嵌入式操作系统，提升系统的功能可扩展性，配置便捷性等。

FreeRTOS移植

由于N32G455VE属于高性能带浮点运算的Cortex-M4内核的微处理器，因此，我们在移植FreeRTOS时，也兼顾其高性能的特点，不损失性能。在系统时基上面，我们采用1ms的时基，满足我们本项目的实时性要求，又方便我们计算延时等。

这里我们主要参考国民技术官方的白皮书，来完成FreeRTOS的移植，并修改FreeRTOSConfig.h头文件，裁剪内核的大小。

FreeRTOS任务划分

本项目共划分10个任务：

首先启动时钟配置，并创建LED工作状态任务led_blink任务。

在led_blink任务中创建其余9个任务，包括：

• 任务1-6：控制6路舵机的驱动PWM波产生任务；
• 任务7：ADC周期采样，并分析。通过信号量阻塞；
• 任务8：CAN接收处理任务。通过信号量的方式+共享内存形式传递脉宽值
• 任务9：串口日志发送。将操作日志上传到PC端
  

核心源代码