涵道共轴旋翼系统操纵机构设计与控制.docx

南京航空航天大学毕业论文题目涵道共轴旋翼系统操纵机构设计与控制学生姓名白璟杰学号 011210230学院航空宇航学院专业飞行器设计与工程班级 0112102指导教师徐锦法教授二一六年六月南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：涵道共轴旋翼系统操纵机构设计与控制）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年月日（学号）：涵道共轴旋翼系统操纵机构设计与控制摘要本文介绍了涵道共轴旋翼无人飞行器在国内与国外的发展近况，通过叶素法对旋翼载荷进行了分析，完成了操纵机构的设计，操纵机构设计为涵道共轴双旋翼。随后介绍了ARM处理器以及STM32微控制器的结构，设计了STM32运行所需的最小系统电路，介绍了PWM输入捕获、USART串口以及PWM输出模块，并对PWM输出进行了初始化配置设置。随后完成了舵机指令的标定和控制通道指令的分配。根据PWM输出信号的脉冲宽度与舵机转角的线性关系对舵机指令进行标定，完成了对控制通道指令的分配。最后通过电调控制旋翼转速，分析了PWM脉冲宽度与转速之间的线性关系。关键词： 涵道共轴双旋翼；飞控系统；STM32；PWMThe Design and Control of the Control Mechanism of Ducted Coaxial Rotor SystemAbstractThis paper introduces the development status of the ducted coaxial rotor UAV around the world. It analyses the rotor blade element load. The mechanism is a ducted coaxial rotor aircraft the overall structure of which is similar to the fixed wing aircraft. It has tail push. Then the structure of ARM processor and STM32 microcontroller is introduced. The design of the minimum system circuit for STM32 was completed. The PWM input capture, USART serial port and PWM output module are introduced. The PWM module was initialized by using the base function. According to the linear relationship between the pulse width of the PWM signal and the steering angle, the standard of the steering command was finished. The distribution of the control channel commands was finished. Finally, rotor speed was controlled by ESC (Electronic Speed Control), and the linear relationship between the pulse width and the rotational speed of PWM is analyzed.Key Words: Ducted coaxial rotor; Flight control system; STM32; PWM目录摘要 iAbstract ii第一章绪论 11.1研究背景 11.2国内外研究近况 11.2.1国外研究近况 11.2.2国内研究近况 31.3研究内容 4第二章旋翼载荷分析与操纵机构设计 52.1 引言 52.2 旋翼载荷分析 52.3 操纵机构设计 82.4 本章小结 8第三章 ARM处理器基本原理和开发环境 103.1 引言 103.2 ARM处理器 103.3 STM32处理器 113.4 本章小结 14第四章处理器控制板输入输出配置 154.1 引言 154.2 控制器硬件 154.3 USART串口通信 154.4 PWM输入捕获 174.4.1遥控器与PWM信号 174.4.2控制处理器输入接口配置 184.4.3 PWM脉宽测量定时器设置 194.4.4 PWM输入捕获处理 204.5 PWM输出 204.5.1 设置RCC时钟 244.5.2 设置GPIO 244.5.3 设置TIMx定时器相关寄存器 244.5.4 设置TIMx定时器PWM相关寄存器 254.6本章小结 25第五章舵机分配及桨距标定 265.1 引言 265.2 舵机的控制 265.3 舵机指令标定 275.4 控制通道指令分配 275.5 本章小结 29第六章旋翼转速控制 306.1 引言 306.2 电子调速器 306.3 旋翼转速控制 31第七章总结与展望 327.1 已完成的工作 327.2 存在的问题 327.3 展望 32参考文献 33致谢 34第一章绪论1.1研究背景涵道飞行器的研制开始于上世纪80年代，涵道飞行器的旋翼被包在涵道内，可以很好地起到保护旋翼的作用，而且涵道可以为飞行器提供更佳的气动力，可以提高飞行器的气动效率，而且产生的噪声比较小。涵道共轴双旋翼飞行器上下两个旋翼转向相反，可以将旋翼产生的反扭矩相互抵消，而且可以使得飞行器结构更加紧凑，地面安全性提高。涵道共轴双旋翼飞行器的尺寸较小、成本低并且机动性能好，其能够在恶劣的环境下飞行。这引起了各国研究者的重视。目前，世界很多国家都在对涵道飞行器和共轴旋翼飞行器进行研究，但是对于涵道共轴飞行器这一结合了两者优点的飞行器的研究却不是很多。涵道共轴飞行器上旋翼与下旋翼之间存在着干扰，结构较为复杂。对于这样一种在巡逻、监视、侦查、通讯、航拍等各个领域都有需求的飞行器来说完善对其的研究是非常重要的。1.2国内外研究近况1.2.1国外研究近况上世纪80年代，美国的桑迪亚实验室依据海军陆战队的要求进行了“空中远程遥控装置”的研制，开发出了首架垂直起降的涵道飞行器。1992年，美国启动了多用途安全与监视任务平台，最终采用了美国西科斯基研制的高性能涵道共轴无人直升机Cypher，如图1.1所示。图1.1 西科斯基Cypher法国伯蒂公司也在近5年中研制出了一种垂直起降的涵道无人机-悬停眼（HoverEye），如图1.2所示。图1.2法国伯蒂公司Hovereye2001年，美国启动了建制无人机计划。美国国防高级研究计划局要求无人机以涵道飞行器结构为主并且具有垂直起降和悬停的能力。最终美国阿德莱德公司的涵道无人飞行器i-STAR入围而且该飞行器在2000年以完成试飞，如图1.3。图1.3 阿德莱德公司的i-STAR霍尼韦尔公司通过与美国陆军和美国国防高级研究计划局的合作研制出了微型无人机（MAV），如图1.4。图1.4霍尼韦尔公司的微型涵道无人机1.2.2国内研究近况我国对于涵道共轴旋翼飞行器研究起步工作较晚，对于这方面的文献较少，大多都是对涵道共轴双旋翼流场分析，如研究了悬停涵道共轴双旋翼干扰流动数值模拟的参考文献，研究了涵道共轴多旋翼飞行器的建模和控制的文献3，及对于涵道共轴双旋翼前飞气动特性与试验优选设计的研究4，还有对于涵道风扇共轴式无人直升机操稳特性的研究6。图1.5中航工业“飞鸿”涵道式旋翼无人飞行器2015年第三届中国天津国际直升机博览会上中航工业带来了多款最新研制的直升机参展。“飞鸿”涵道式旋翼无人飞行器，如图1.5。它具有垂直起降、悬停、短距起飞和大速度前飞等能力。其布局上以固定翼飞机的构型为基础，加入了涵道共轴双旋翼系统。全机重量60kg，航程和最大平飞速度分别为40km和100km/h。它具有良好的气动外形、高效的气动力特性以及特殊开发的飞行控制系统，可执行侦查、监视、目标获取等任务。1.3研究内容本文通过旋翼载荷分析对操纵机构进行了设计，然后运用STM32微型控制器对涵道共轴旋翼系统进行上下旋翼转速控制以及旋翼变距控制，主要内容为：（1）通过叶素法对旋翼载荷进行分析，操纵机构设计；（2）ARM处理器基本原理和开发环境；（3）处理器控制板输入输出配置；（4）舵机分配与桨距标定；（5）上下旋翼转速控制。第二章旋翼载荷分析与操纵机构设计2.1 引言本章主要通过已经学习过的直升机空气动力学知识中的叶素理论对旋翼载荷进行分析，并且介绍了操纵机构的设计。2.2 旋翼载荷分析叶素理论就是把旋翼桨叶分为无限个叶素（桨叶微段）组成，先对叶素分析受力情况然后对整个旋翼进行积分从而得到旋翼载荷。桨叶受力图如图2.1。图2.1桨叶受力图初始值：表2.1翼型 NACA0012弦长 8cm旋翼半径 80cm转速 1600rpm桨叶以的角速度逆时针旋转，旋翼半径为R，桨尖速度为R=135m/s，桨叶微段距桨毂中心的距离为y，爬升速度为V0（悬停时为0），桨盘处的诱导速度为1，合速度为：W=V0+12+y2（2-1）这个速度与构造旋转平面所成的夹角叫做来流角：=tan-1V0+1y（2-2）小角度时可以近似为：=V0+1y（2-3）设桨叶叶素的安装角为，则桨叶的迎角为：=-（2-4）取=8。设叶素沿翼展方向长度为dr，则作用在桨叶微段上的升力和阻力为：dL=12CLW2cdydD=12CDW2cdy（2-5）式中c为弦长，CL和CD分别是翼型升力系数和型阻系数。而且它们均与翼型的形状、迎角、Re数和马赫数等有关。根据NACA0012翼型升力系数曲线图和桨叶翼型极曲线可以确定出升力系数CL=0.88阻力系数CD=0.016微段翼型拉力和翼型扭矩为：dT=dLcos-dDsindQ=dLsin+dDcosy（2-6）由于一般来流角很小，则可取近似：Wy（2-7）dTdL（2-8）dQdL+dD（2-9）引入无量纲参数：r=yR（2-10）dCT=dTR2R2（2-11）dCQ=dQR3R2（2-12）=V0+1R=r（2-13）是来流系数，微元拉力可写作：dCT=12W2cdyCLR2R2=12cRCLr2dr（2-14）对于N片桨叶来说：dCT=12NcRCLr2dr（2-15）引入桨叶实度：=NcR=0.127（2-16）则式（2-15）可以写成：dCT=12CLr2dr（2-17）沿翼展方向积分得拉力系数：CT=1201CLr2dr=0.0186（2-18）对微段上的扭矩无量纲化：dCQ=12cRCL+CDr3dr（2-19）对于N片桨叶来说：dCQ=12CL+CDr3dr（2-20）沿展向积分得扭矩系数：CQ=1201CL+CDr3dr=1201CLr3+CDr2dr=0.09（2-21）根据选择的翼型可以确定出升力系数和型阻系数，通过式（2-18）和式（2-21）可以确定出拉力系数和扭矩系数，然后通过下式：T=R2R2CT=834.9NQ=R3R2CQ=3231.96Nm（2-22）即可得到旋翼拉力和反扭矩。由此得到的是上旋翼的拉力和反扭矩，而此旋翼系统是涵道共轴双旋翼，上下旋翼存在干扰，下旋翼对上旋翼的干扰因为相对小而可以忽略不计，但是上旋翼对下旋翼的干扰使得下旋翼产生的拉力大约为原来的0.8倍14，所以下旋翼的拉力为T=701.32N。2.3 操纵机构设计操纵机构为涵道共轴双旋翼，如图2.2所示。涵道在机体中心，其中是共轴双旋翼系统，上下旋翼各4片桨叶。通过改变桨距操作可以使得飞行器以直升机的形式飞行，而机身整体是固定翼结构而且带有尾推和斜垂尾，利用尾推的推力和垂尾的变距操作可以使得飞行器以固定翼模式飞行。这种构型可以使得飞行器完成垂直起降、悬停、高速机动等飞行动作。此操纵机构大部分采用铝合金材料，其密度小，光洁度高，强度较高。a)涵道共轴双旋翼飞行器 b)旋翼系统结构图2.2 涵道共轴双旋翼飞行器旋翼拉力可由上一节得到，而旋翼离心力为：N=0RM/R2rdr=8.1N（2-23）其中M为桨叶质量，M=120g。至此得到了旋翼拉力和离心力，可以根据下面公式算出桨叶对桨毂最大拉力和最大离心力：Tmax=nfTNmax=2fN（2-24）其中n为桨叶片数，f为安全系数（一般取1.2）。桨毂根部受到的最大弯矩：Mmax=0RTrdr=1282.4Nm（2-25）2.4 本章小结本章通过学习的叶素法对旋翼载荷进行了分析，并且通过分析结果算出了旋翼最大拉力和离心力。本章还介绍了操纵机构，并对其进行了强度计算，操纵机构为涵道共轴双旋翼。第三章 ARM处理器基本原理和开发环境3.1 引言STM32作为一款微控制器在无人机、航模等航空领域非常受欢迎，在各大高校也非常受研究人员的喜爱。它不仅在航空领域受到广泛的应用而且在其他嵌入式领域也取得了广泛运用。本章主要介绍了基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器STM32的基本原理及其开发环境。3.2 ARM处理器ARM（Advanced RISC Machines）公司于1991年在英国剑桥成立，其主要出售芯片设计技术的授权。世界上有很多半导体生产商从ARM公司购买他们的ARM微处理器核，以ARM处理器为内核的微处理器占据了32位RISC微处理器百分之75以上的市场份额。ARM处理器已经广泛应用于我们的工作生活中。ARM处理器拥有许多的特点，其体积小、低功耗、低成本、高性能的优点很受到开发者的喜爱；ARM处理器可以支持Thumb/ARM双指令集，并且能够很好的兼容8位和16位器件；ARM处理器大量的使用了寄存器，这可以使得其执行指令的速度变快；寻址方式简单灵活，效率高。ARM处理器有ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列ARM10E系列、SecurCore系列、ARM11系列及Intel的Xscale。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E为四个通用的处理器系列，每一个系列都有一套相对独特的性能来满足不同领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求高的应用而设计。在ARM11经典处理器之后的产品改用了Cortex命名，并且分为了A、R、M三类，它们都在不同的市场提供服务。随着时间的推移，ARM7和ARM9内核越来越深入微控制器领域，引来了众多的开发工具对这些CPU的支持，其中主要的开发编译平台有GCC、Greenhills、Keil、IAR和Tasking等。随着Cortex-M3处理器的诞生，绝大部分的开发工具都会迅速的更新以支持Thumb-2指令集。Keil MDK开发工具源自德国Keil公司，被全球超过10万的嵌入式开发工程师验证和使用，是ARM公司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具。目前Keil MDK在国内ARM开发工具市场已达到百分之90的占有率11。目前大部分网络/电信制造商在积极地将下一代平台迁移到ARM平台上来，在今后的几年里ARM会越来越发展壮大。3.3 STM32处理器本文选取基于Cortex-M3内核的STM32F103ZE微控制器，Cortex专为高性能与低耗能而设计，性价比高11。其系统的内部结构如图3.1所示：图3.1 STM32内部系统结构图该微控制器主要性能参数如下：l 内核选用了32位的CortexTM-M3 CPU，工作频率最高达72MHz12。l 存储器设置了从256K到512K字节的闪存程序存储器和高达64K字节的SRAM，支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR及NAND存储器。l 低功耗。设有睡眠、停机、待机三种模式，VBAT为RTC和后备寄存器供电。l 拥有12通道DMA控制器，支持定时器、ADC、DAC、SDIO、SPI、USART等外设。l 112个多功能双向的I/O口都可以映像到16个外部中断，几乎所有端口都可承受5V信号。l 拥有4个16位定时器，每个定时器有4个用于输入捕获、输出比较、PWM或者脉冲计数的通道和增量编码器输入。还拥有2个16位带死区控制和紧急刹车（用于电机控制）的PWM高级控制器定时器、2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）、24位自减型计数器、2个用于驱动DAC的16位基本定时器。l 拥有2个I2C接口、5个USART接口、3个SPI接口、2个可复用为I2S接口、CAN接口、USB 2.0全速接口、SDIO接口。STM32并不能独立工作，它需要相关的外围电路来构成构成最小系统，才能工作，包括3.3V电源、8MHz晶振时钟、复位电路、调试接口等。飞控板上芯片需要的供电电压主要有+5V和+3.3V，根据飞控计算机对电压和电流的需求，选用一款输出电压+12V，容量为2000毫安时的电池为其供电，采用DC-DC模块实现电压转换。根据功耗分析，选择了LM2596-5开关电源芯片实现+12V转+5V。LM2596-5开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，开关频率为150KHz，可调输入电压范围为1.2V37V，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。电路如图3.2所示。图3.2 +12V转+5V电压转换模块电路图电源电路选用LM1117-3.3，它是一款含正电压输出的低压降三段线性稳压电路的芯片，将5V电压转为3.3V。如图3.3所示，图中C25、C73、C74可以确保LM1117-3.3的稳定性。图3.3 芯片电源电路时钟电路是整个微处理器的心脏，控制着处理器工作的节奏，起着产生时钟驱动微控制器的作用。STM32内部自带RC振荡器，可以为内部PLL供给时钟，这样STM32依靠内部振荡器就可以在72MHz的满速状况下运行。但是内部RC振荡器相比外部晶振来说不够准确，同时也不够稳定，所以采用外部时钟源。本文选用8MHz的外部无源晶振，如图3.4所示：图3.4 晶振时钟电路图外部8MHz的晶振，经过STM32内部倍频，Cortex-M3的CPU最高可以以72MHz的频率运行。由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压等特性，导致其噪声容限较低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面都提出了较高的要求。同时又由于无人机机载环境较为恶劣，电磁干扰与振动干扰强，可能出现失控现象。因此复位电路是必要环节。由于无人机工作状态的振动较强，按键式复位电路会使得系统变得不稳定，因此直接将复位端接地，依靠软件中的独立看门狗来完成软件复位，如图3.5。图3.5 复位电路图为了让STM32最小系统运行起来，还需要硬件调试端口，这样才可以使用调试仿真器链接STM32。STM32支持两种调试方式：标准的20脚JTAG仿真调试和串行单线调试（SWD）。JTAG调试接口在芯片实际工作时不是必需的，且SWD只需要一根时钟信号线（SWCLK）和一根数据信号线（DWIO），不仅提高了调试速度，减少了GPIO的使用，而且节省了PCB的空间和布线难度。因此采用SWD接口，如图3.6。图3.6 调试电路3.4 本章小结本章首先介绍了ARM处理器，然后介绍了STM32微控制器的结构及其特点，为了让STM32工作，设计了STM32所需要的最小系统电路。第四章处理器控制板输入输出配置4.1 引言飞控计算机硬件是飞控软件的载体，是整个飞行控制系统的基础，该部分的好坏将直接决定飞控系统的稳定性和可靠性，同时它也决定这飞行器的飞行性能的好坏。4.2 控制器硬件控制器需要完成的任务包括了采集飞行器的姿态角、姿态角速率、高度、空速、位置等信息，并将采集到的数据进行分析送到飞控软件进行控制律解算，然后获得舵机PWM控制指令驱动舵机，达到控制的目的。此外，还要实现机载设备之间、机载设备与地面控制站之间的无线数据通信。4263390236791500425577019716760042595806134100091440020764500051396901941195地面站00地面站5162550333375各路舵机00各路舵机35166301857375串口USART00串口USART18402301826895PWM捕获00PWM捕获3592830356235PWM输出00PWM输出4991101918335遥控器00遥控器1832610356235STM32400000STM32控制器硬件结构图如下：图4.1 控制器硬件结构图处理器STM32在上一章介绍过了。接下来将介绍USART串口通信和PWM输入输出。4.3 USART串口通信飞控计算机与外界的交流，例如地面控制站指令接收、机载飞控数据向地面工作站发送并保存等都依靠串口完成，串口模块的设计直接影响飞控计算机的功能。USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)，即通用同步/异步串行接收/发送器，虽然在PC机上大部分被取消了，因为其通信速率、距离、硬件特性等已经不适合PC的要求，取而代之的是“通用串行通信口”，也就是常说的USB口。但在嵌入式芯片中，它仍然是应用最广泛的一种通信接口。因为嵌入式硬件平台上，对通信的数据量、速率等要求并不是很高，而USART极低的硬件资源消耗、不错的可靠性、简洁的协议及高度的灵活性，使得其非常符合嵌入式设备的应用需求 。STM32配备了3个增强型的USART接口，都支持最新的通讯协议。每个USART的最大通信速率为4.5Mbps。它是一个可全面定制的串行通信口，其数据长度、停止位、波特率都可以设置。它的波特率产生器可以产生精确到小数级别的波特率，其精度比简单的式中分频器高得多，而且不论时钟信号的来源，它都可以保持精度。本文用到的串口通信为RS323，时序如图4.2所示。图4.2 RS323串口通信时序图串行总线在空闲时保持逻辑1的状态，当需要传送一个字符时，首先要发送一个逻辑0的起始位，表示开始发送数据；之后就逐个发送数据位、奇偶校验位和停止位（逻辑1）。图8中所示为通过RS232串行通信发送字符“1”（二进制00110001），设置为8位数据位，1位奇偶校验位，1位停止位。利用ST公司提供的固件库可以很方便地对STM32外设进行初始化配置，其中包括时钟、GPIO管脚、串口USART以及中断等。该部分电路选用MAX3232芯片，该芯片采用专有的低压差发送器输出级，其只需要4个0.1F的外部电容即可工作，具有两路接收器和两路驱动器。电路如图4.3所示。图4.3中所示两路串行通信口分别为导航信息接收串口和地面控制站数据交互串口，采用115200的波特率、8位数据位、1位停止位及无校验位的设置。图4.3 串口通信电路4.4 PWM输入捕获PWM即脉冲宽度调制，输入捕获功能是指，通用定时器可以检测某个通道对应引脚上的电平边沿，并在电平沿产生的时刻将当前定时器计数值写入捕获/比较寄存器中。接下来主要说明遥控器发出PWM波，通过接收机接收，传送给飞控计算机，并进行输入捕获的过程。4.4.1遥控器与PWM信号本文选用的遥控器为天地飞九通道遥控器，接收机为WFR09S。它们的主要参数为：天地飞九通道遥控器：l 原生2.4G技术：采取总线数据传输，提升了操控的敏捷度。l 超强抗干扰：高端扩频（DSSS）+调频技术。l 频段：35MHZ、36MHz、40MHz、41MHz、72MHz、2.4GHz。l 发射功率：100mW。l 工作电流：300mA。l 输出脉冲：1000s-2000s。l 编码方式：PPM/PCMS 1024/PCMS 4096。l 电源：1.2V8(9.6V)镍镉/镍氢充电电池 1.5V8(12V)普通碱性电池。l 低电压声光提示：电池电压8.2V，发射机发出蜂鸣声且红灯闪烁。l PCM失控保护功能。WFR09S接收机：l 双核、双天线、双路收发。l 频段：2.400GHz2.483GHz。l 解码方式：PPM/PCMS 1024/PCMS 4096。l 电源：4.8V6V。需要捕获的PWM信号来自遥控器接收机，接收机上安装与载波信号频率对应的接受晶体，可接收遥控器发出的特定频率的信号。然后，接收机通过不同的通道以PWM波的形式输出给飞控计算机，飞控计算机需要对这些PWM波进行捕获。获得PWM波的周期和高电平时间，以此可以计算得出该PWM的占空比（在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值）。STM32提供输入捕获功能，但是需要消耗一个定时器的两个通道，这样的做法太占定时器资源，本设计中采用GPIO的EXTI中断方式实现PWM捕获。4.4.2控制处理器输入接口配置PWM波输入引脚如表4.1所示：表4.1 PWM波输入引脚设置序号信号符号信号名称 GGPIO口片内符号外接设备1 IN_PWM01 PWM输入1 GPIOG PG8 遥控器通道1（滚转）2 IN_PWM02 PWM输入2 GPIOG PG7 遥控器通道2（俯仰）3 IN_PWM03 PWM输入3 GPIOG PG6 遥控器通道3（升降）4 IN_PWM04 PWM输入4 GPIOG PG5 遥控器通道4（偏航）5 IN_PWM05 PWM输入5 GPIOG PG4 遥控器通道56 IN_PWM06 PWM输入6 GPIOG PG3 遥控器通道67 IN_PWM07 PWM输入7 GPIOG PG2 遥控器通道7（辅助）8 IN_PWM08 PWM输入8 GPIOD PD15 遥控器通道8（辅助）9 IN_PWM09 PWM输入9 GPIOD PD14 遥控器通道9（辅助）下面说明GPIO、EXTI初始化与使能过程：（1） 通过固件库RCC_APB2PeriphClockCmd（）函数19，使能APB2外设时钟。（2） 通过GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD语句，设置引脚输入方式为下拉输入。（3） 通过GPIO_Init（）函数，设置根据GPIO_InitStruct中指定的参数初始化外设GPIOx寄存器。（4） 通过GPIO_EXTILineConfig（）函数，设置GPIOx的某号管脚作为外部中断线路。（5） 通过语句EXTI_InitStructure.EXTI_Line = SPEED_EXTI_LINE，设置中断线。（6） 通过语句EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE定义选定中断线路的状态为使能。（7） 通过语句EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt，设置EXTI线路为中断请求。（8） 通过语句EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising，设置输入线路上升沿为中断请求。（9） 通过一个if语句，如果设置成功，定义选中线路的状态为使能；如果设置不成功，则定义选中线路的状态为失能。4.4.3 PWM脉宽测量定时器设置PWM脉宽测量定时器设置如下：（1） 通过RCC_APB1PeriphClockCmd()函数，使能时钟TIM7。（2） 通过TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xffff语句，设置了在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值为0xffff。即计数器最大计数值为65535，当计数值递增至65535时，将重新归零继续向上计数。（3） 通过TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= 72-1语句，设置了时钟频率的预分频值为71。我们可以得到计时器单次计数时间为：TCNT=7199+172MHz=100s（4） 通过语句TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0，设置时钟分割的值为零。（5） 由TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up设置计数方式为向上计数。（6） 通过TIM_TimeBaseInit()函数，利用（2）（3）（4）中设置的参数，初始化时基单元。（7） 通过TIM_Cmd（）函数使能时钟外设。（8） 通过NVIC_Init（）函数初始化外设NVIC寄存器。4.4.4 PWM输入捕获处理在捕获PWM波时，触发EXTI中断后进入响应的中断处理函数，在这里通过对不同的触发方式进行不同的操作，首次为上升沿触发，将触发方式改为下降沿触发，并读取此时TIM7的计数值，保存在全局变量中；再次进入该通道EXTI中断处理函数后，触发方式为下降沿触发，此时将EXTI的触发方式改为上升沿触发，并读取此时TIM7的计数值，保存在全局变量中，与第一次计数值相减即为该通道PWM波高电平时间；第三次进入该通道EXTI中断处理函数后，触发方式为上升沿触发，将EXTI触发方式改为下降沿触发，读取此时TIM7的计数值，与第一次计数值相减即为该通道PWM波周期值。流程图4.4如下。图4.4 PWM捕获流程4.5 PWM输出PWM输出模式通过对脉冲宽度的调制就可以获得等效的所需的波形。其可以产生一个确定频率由TIMx_ARR寄存器确定，其也可以产生占空比信号由TIMx_CCRx寄存器确定，而且在定时器通道的引脚上输出。48006002447925004800600176974500479298011753850047967905695950035661602493645003562350179260500355473011753850035394905543550053721024669750054483017887950054102011391900054483057721500right2354580TIM_CH4020000TIM_CH4right1691640TIM_CH3020000TIM_CH3right1097280TIM_CH2020000TIM_CH25246370493395TIM_CH1020000TIM_CH13973830493395输出控制020000输出控制39776401089660输出控制020000输出控制39928801706880输出控制020000输出控制39852602377440输出控制020000输出控制11201401097280捕获/比较寄存器2（CCR2）4000020000捕获/比较寄存器2（CCR2）11277601737360捕获/比较寄存器3（CCR3）4000020000捕获/比较寄存器3（CCR3）11430002407920捕获/比较寄存器4（CCR4）4000020000捕获/比较寄存器4（CCR4）1111885502920捕获/比较寄存器1（CCR1）4000020000捕获/比较寄存器1（CCR1）171450493395CNT计数器00CNT计数器本文的PWM输出利用STM32定时器来实现，定时器输出比较的结构如下：图4.5 STM32定时器输出比较结构基本原理为：CNT计数器有三种计数模式，分为向上计数、中央对齐模式、向下计数。自动装载寄存器中的TIMx_ARR规定了计数器的范围，计数超出会产生“溢出”而重新计数。STM32的PWM输出拥有两种模式，模式1/2，由TIMx_CCMRx寄存器中的OCxM位确定（“110”为模式1，“111”为模式2）。模式1：向上计数时，当TIMx_CNTTIMx_CCR1时为无效电平。模式2：向上计数时，当TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为有效。以计数器CNT向上计数，PWM输出模式为模式1，设ARR=8，当CCRx为不同值时，输出的PWM也会不同。图4.6展示了PWM输出波的实例。图4.6 PWM输出波通过调节ARR装载值和CNT计数方法及TIMx频率可以使PWM波的周期得到调节。为了得到PWM波形，可以通过CCRx值和PWM输出的调节来调节PWM波的占空比。相关引脚信息如下表：表4.2 PWM输出引脚信息序号信号符号信号名称 I/O 引脚号 GPIO口片内符号外接设备 TIMn_CHn1 PWM_01 PWM输出1 O 34 GPIOA PA0 舵机1 TIM5_CH12 PWM_02 PWM输出2 O 35 GPIOA PA1 舵机2 TIM5_CH23 PWM_03 PWM输出3 O 36 GPIOA PA2 舵机3 TIM5_CH34 PWM_04 PWM输出4 O 37 GPIOA PA3 舵机4 TIM5_CH45 PWM_05 PWM输出5 O 42 GPIOA PA6 舵机5 TIM3_CH16 PWM_06PWM输出6 O 43 GPIOA PA7 舵机6 TIM3_CH2输出PWM波是来驱动舵机的，那么如果PWM波不稳定则会导致舵机抖动。输出模块采用的电路如图4.7所示。图4.7 PWM输出模块电路该电路的74HC14是一高速CMOS器件，其有6路施密特触发器芯片，可以将输入信号转换为清晰无抖动输出信号。PWM输出程序流程如