基于MSPM0G3507主控的一辆智能(平衡) 小车

  一般在弱电领域，对单片机学习和使用的通用路线就是使用开发板进行调试，但是开发板有的大多是一些板载零件，没有相应的执行机构。然而我们电子工程师常常需要一些执行机构进行调试/ 分析/ 验证围绕单片机的设计方案；

  小车(vehicle) 作为科研工程中一个常见的机电一体化执行机构模型，其包含了运动学和动力学两个领域的物理和数学知识，所以摸索使用一款新单片机时，可选一个小车做工程实践平台，特点如下：

  不夸张地说，一辆可称为智能的小车（vehicle），硬件上大多会将一款MCU 所有的功能和外设都使用了，本项目用一款TI 的低功耗新产品MCU 主控MSPM0G3507 来实现控制一辆小车（注: 不等同于mini 玩具车），在G3507上运用PID控制算法和卡尔曼滤波算法完成小车软硬件设计实践平台，让其不仅可前后运动/转向运动，还可平衡态静止等运动态。此项目对于学习使用当今低碳时代下的电子领域的一款新MCU 应该还是很有实践意义的。

  此单片机实践项目主要使用在G3507主控对一个机械平台- 小车（vehicle）来控制，使小车能在前进/ 后退/ 左转/ 右转运动时，仍就保持动态直立平衡状态，所以首先采用CAD 设计图纸，制造组装一个小车机械结构平台，最终设计如下图所示：

  硬件电子部分主要基于TI LP-MSPM0G3507开发板设计，如图示，主控芯片是TI（德州仪器）公司的新产品MSPM0G3507.

  MSPMOG3507器件提供具有内置错误修正码（ECC）的128KB 嵌入式闪存程序存储器和具有硬件奇偶校验的32KB SRAM。这一些器件还包含一个存储器保护单元、7 通道DMA、数学加速器和各种高性能模拟外设，例如两个12 位4MSPS ADC、一个可配置内部共亭电压基准、一个12 位DAC、三个具有内置基准DAC 的高速比较器、两个具有可编程增益的零漂移运算放大器和一个通用放大器。这一些器件还提供智能数字外设，例如两个16 位高级控制计时器、三个16 位通用计时器、一个32 位高分辨率计时器、两个窗口式看门狗计时器以及一个具有警报和日历模式的RTC。这一些器件可提供数据完整性和加密外设（AES、CRC、TRNG）以及增强型通信接口（四个UART、两个12C、两个SPI 和一个CAN 2.0/FD）。

  本项目硬件板卡主要围绕TI LP-MSPM0G3507 开发板进行二次开发扩展板SHEILD-PCBA，完成小车执行机构所需的外围器件的实物如下（已经过二次PCB集成）

  以上二次开发的原理图最终Layout生成PCB实物 如图所示（此板卡分成两块PCB由开发者通过PCBEDA设计提供）

  此小车项目选择简单的串级PID 算法，所谓串级PID类似于串联，它将PD直立环（balance）、PI速度环（velocity）和PD转向环（turn）结果分别计算最后相加。得到输出左右轮的PWMA 和PWMB 输出。其极性代表转向。三个环量“你追我赶”，“相互制约”才可能正真的保证一个动态稳定的系统，具体计算公式如下：

  其中直立环使用比例+ 微分变量（PD）来控制，比例系数计算小车倾角与平衡位置的差(Bias)，而微分系数计算小车俯仰角的加速度。小车的直立情况与积分量无关，主要与其位置和加速度有关，具体计算公式如下：

  速度环使用优化后的限幅比例+ 积分变量（PI）来控制，比例系数计算小车左右轮速度之和和零之间差值（Encoder_Least），积分系数计算小车速度差累加和（Encoder_Integral）。由于速度控制与小车的加速度几乎无关，所以只是用PI控制，具体公式如下：

  平衡小车的具体参数受到车体结构和地面倾斜角度的影响，参数整定是一个极为枯燥耗时的工作。参数整定没有好的方法，只可以通过不断尝试，用“夹逼准则”才可以找到最好的值。换言之，好的参数就是大量时间堆积出来的结果，学习使用PID 对于参数的调节不过分追求。但调出一个能用的参数也许花费点的时间，这里简单叙述一下参数调整的过程。对于串级PID 我们一般先调节直立环，再调节速度环，在调节完这两个环节之后小车就能很好地走直线了，最后调节转向环，用于调节转向。每个环的功能如下图所示：

  2.9编码实现：将上述软件流程及算法在MSPM0G3507这款MCU开发环境中编码调试

  启动后配置。syscfg文件中各GPIO引脚与自制驱动板一致后编译程序，将PID代码拷贝到工程中。参考前述办法来进行整定参数。不断调试代码，进行如下测量项目，验证是否达标。

  本实践项目采用MSPM0G3507 作为80MHz主控芯片对小车进行MCU控制，对MPU6050 实现姿态角解算输出，使用DMOS 芯片进行直流电机驱动调速，还采用霍尔编码器进行脉冲计数实现了小车左右电机速度读取，霍尔编码器的反馈信号可达到速度环的控制。反馈是控制的核心，此项目中MCU微控制器，最大的作用就是获取小车的反馈信息，做出相应的控制。

  采用MSPM0G3507低功耗单片机制作小车，做到了相比以往3.3 V供电的ARM Cortex-M3 系列单片机电压降低至1.62 V仍旧能工作，且需要要的频率80MHz 能够完全满足PID 控制运算需要，运算功耗也明显降低。低碳时代背景下，使用如TI 的MSPM0G3507 系列低功耗MCU 研发产品是时代趋势。当下看来MSPM0G3507 比XXX32F103R系列ARM Cortex-M3单片机更具性价比。