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STM32F103C8T6-基于FreeRTOS系统实现步进电机控制

引言

        上一篇文章讲述了如何使用蓝牙连接stm32进行数据收发控制步进电机,这篇在之前的基础上通过移植操作系统(FreeRTOS或者其他的也可以,原理操作都类似)实现步进电机控制。

上篇博客指路:STM32蓝牙连接Android实现云端数据通信(电机控制-开源)_从蓝牙获取信息 发送到云端-CSDN博客https://blog.csdn.net/m0_74325713/article/details/146500274?spm=1011.2124.3001.6209

FreeRTOS介绍

        (简单讲一下)

        FreeRTOS 是一款开源的实时操作系统(Real-Time Operating System, RTOS),专为嵌入式系统和微控制器(MCU)设计。

核心特性

  • 轻量级:内核代码仅需几 KB 内存,适合资源受限的微控制器(如 ARM Cortex-M、ESP32、AVR 等)。

  • 可移植性:支持 40+ 种处理器架构,通过抽象层适配不同硬件平台。

  • 实时性:提供确定性的任务调度机制,满足硬实时(Hard Real-Time)或软实时(Soft Real-Time)需求。

  • 模块化设计:核心功能简洁,可通过插件扩展(如 TCP/IP 协议栈、文件系统、低功耗支持等)。

核心功能模块

任务(Tasks)

  • 多任务并发执行,每个任务是一个独立的线程。

  • 任务优先级可配置,支持抢占式调度(Preemptive)或协作式调度(Cooperative)。

调度器(Scheduler)

  • 抢占式调度:高优先级任务可中断低优先级任务。

  • 时间片轮转:同优先级任务按时间片分配 CPU。

  • 支持协程(Coroutines,轻量级任务)。

同步与通信

  • 队列(Queues):任务间传递数据的 FIFO 缓冲区,支持阻塞式读写。

  • 信号量(Semaphores):二进制/计数信号量,用于资源管理和任务同步。

  • 互斥量(Mutexes):防止资源竞争的互斥锁。

  • 事件组(Event Groups):任务间事件通知机制。

内存管理

  • 提供动态内存分配算法(如 heap_1 到 heap_5),支持不同场景的需求。

  • 可自定义内存分配策略以适配硬件。

中断管理

  • 中断服务程序(ISR)与任务间的高效通信。

  • 延迟中断处理(Deferred Interrupt Handling)机制,减少中断延迟。

软件定时器

  • 基于任务调度的软件定时器,支持单次或周期性触发回调函数。

功能实现

 主要涉及以下五点功能:

        1. 蓝牙通信:通过 USART 接收蓝牙指令,解析指令并执行相应的操作。

        2. 步进电机控制:根据接收到的指令控制电机的启动、停止、转动方向和速度。  

        3. OLED 显示:实时显示电机的状态,如当前速度、运行模式等。

        4. FreeRTOS 任务管理:使用 RTOS 管理不同的任务,即蓝牙数据处理和电机控制。

        5. 中断处理:利用 TIM 定时器中断驱动步进电机的步进操作,确保精确的时序控制。

CubeMAX配置

这里只展示新增部分,其他部分配置和上篇博客中配置基本一致。

STM32蓝牙连接Android实现云端数据通信(电机控制-开源)_从蓝牙获取信息 发送到云端-CSDN博客

        时钟基

        选择 FREERTOS 系统 CMSIS_V2 版本。

        列表添加对应蓝牙、电机控制的任务,主要优先级问题。(OLED也可以添加,感兴趣的朋友可以都加进去)

   

Keil函数添加

        加入oled,motor相关函数,在usart.c补充回调函数。主函数中补充中断回调函数。基本把上篇博客的代码复制粘贴过去就可以用。oled.c、oled.h、oledfont.h 上篇全部给出,这里就不在重复写了。

  

motor.c 和 motor.h

#include "motor.h"const uint16_t step_sequence[] = {GPIO_PIN_8,                     // Step 1: IN1GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9,        // Step 2: IN1+IN2GPIO_PIN_9,                     // Step 3: IN2GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_12,       // Step 4: IN2+IN3GPIO_PIN_12,                    // Step 5: IN3GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13,      // Step 6: IN3+IN4GPIO_PIN_13,                    // Step 7: IN4GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_8         // Step 8: IN4+IN1
};volatile uint8_t current_step = 0;   // 当前步序号(volatile确保中断中可见)
volatile int8_t direction = 1;      // 方向(1正转,-1反转)
volatile int32_t steps_remaining = 0; // 剩余步数
volatile uint8_t continuous_mode = 0; // 连续旋转模式标志 1-持续 0-停止
uint32_t current_speed = 100;         // 当前速度(步/秒)volatile uint32_t steps_divider = 1;  // 步进分频系数(实际速度=1000Hz/steps_divider)
volatile uint32_t step_counter = 0;   // 步进计数器// 速度控制---PSC=72-1  ARR=999    HCLK=72MHZvoid Set_Stepper_Speed(uint32_t speed_steps) 
{// 限速if(speed_steps < 10) speed_steps = 10;   // 最低10步/秒if(speed_steps > 1000) speed_steps = 1000; // 最高1000步/秒// 更新当前速度current_speed = speed_steps;// 计算分频系数uint32_t new_divider = (1000 + speed_steps / 2) / speed_steps;if(new_divider < 1) new_divider = 1;  // 允许最大速度steps_divider = new_divider;// 显示更新uint8_t speed_str[5];snprintf((char*)speed_str, sizeof(speed_str), "%4lu", speed_steps);OLED_show_string(4,1, speed_str);printf("Speed: %lu\n", speed_steps);
}
#ifndef _MOTOR_H_
#define _MOTOR_H_#include <stdint.h>
#include "stm32f1xx_hal.h" 
#include "stdio.h"
#include "oled.h"extern const uint16_t step_sequence[8];extern volatile uint8_t current_step;
extern volatile int8_t direction;
extern volatile int32_t steps_remaining;
extern volatile uint8_t continuous_mode;
extern uint32_t current_speed;
extern volatile uint32_t steps_divider;
extern volatile uint32_t step_counter;#define SPEED_STEP 100  // 设定固定步长void Set_Stepper_Speed(uint32_t speed_steps);#endif

usart.c(结尾添加回调函数) usart.h(声明变量)

/* USER CODE BEGIN 1 */
volatile uint8_t rdata;
volatile uint8_t rflag = 0;void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {if (huart == &huart1) {rflag = 1;HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)&rdata, 1);}
}/* USER CODE END 1 */
// UART接收缓存
extern volatile uint8_t rdata;
extern volatile uint8_t rflag;void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

主函数中,中断回调函数补充内容。

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{/* USER CODE BEGIN Callback 0 *//* USER CODE END Callback 0 */if (htim->Instance == TIM4) {HAL_IncTick();}/* USER CODE BEGIN Callback 1 */if (htim->Instance == TIM2) {step_counter++;if (step_counter >= steps_divider && (steps_remaining > 0 || continuous_mode)) {step_counter = 0;GPIOB->ODR &= ~(GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13);GPIOB->ODR |= step_sequence[current_step];current_step = (current_step + direction + 8) % 8;if (!continuous_mode) steps_remaining--;if (!continuous_mode && steps_remaining <= 0) {HAL_TIM_PWM_Stop_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);GPIOB->ODR &= ~(GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13);}}}/* USER CODE END Callback 1 */
}

 freertos.c 中补充任务函数调用。

void StartBluetoothTask(void *argument)
{/* USER CODE BEGIN StartBluetoothTask *//* Infinite loop */OLED_show_string(1, 1, "28BYJ-48:");HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&rdata, 1);for (;;){if (rflag == 1){rflag = 0;if (rdata == 'm') {continuous_mode = 1;direction = 1;printf("START\n");OLED_show_string(2, 1, "START ");}else if (rdata == 'n') {continuous_mode = 0;steps_remaining = 0;printf("STOP\n");OLED_show_string(2, 1, "STOP ");}else if (rdata == 'j' || rdata == 'k') {if (rdata == 'j') {current_speed += SPEED_STEP;} else {current_speed = (current_speed > SPEED_STEP) ? current_speed - SPEED_STEP : 10;}Set_Stepper_Speed(current_speed);}else {int16_t angle = 0;switch (rdata){case 'a': angle = 90; break;case 'b': angle = 180; break;case 'c': angle = 270; break;case 'd': angle = 360; break;case 'x': angle = -90; break;case 'y': angle = -180; break;case 'z': angle = -270; break;case 'w': angle = -360; break;}if (angle != 0){steps_remaining = abs(angle) * 4096 / 360;direction = (angle > 0) ? 1 : -1;char angle_str[6];snprintf(angle_str, sizeof(angle_str), "%4d", angle);OLED_show_string(3, 1, (uint8_t *)angle_str);printf("angle: %d\n", angle);}}HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&rdata, 1);}osDelay(10);}/* USER CODE END StartBluetoothTask */
}/* USER CODE BEGIN Header_StartMotorTask */
/**
* @brief Function implementing the MotorTask thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_StartMotorTask */
void StartMotorTask(void *argument)
{/* USER CODE BEGIN StartMotorTask *//* Infinite loop */step_counter = 0;for (;;){// 模拟PWM节拍(每 steps_divider 次循环走一步)step_counter++;if (step_counter >= steps_divider){step_counter = 0;if (steps_remaining > 0 || continuous_mode){GPIOB->ODR &= ~(GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13);GPIOB->ODR |= step_sequence[current_step];current_step = (current_step + direction + 8) % 8;if (!continuous_mode) {steps_remaining--;}}else if (!continuous_mode && steps_remaining <= 0){GPIOB->ODR &= ~(GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13);}}osDelay(1); }/* USER CODE END StartMotorTask */
}

完整代码

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栈实现队列 用栈实现队列&#xff1a;C 语言代码解析栈的基本实现栈的初始化栈的销毁入栈操作检查栈是否为空出栈操作获取栈顶元素获取栈中元素个数 用栈实现队列队列的创建入队操作出队操作获取队首元素检查队列是否为空队列的销毁 总结 用栈实现队列&#xff1a;C 语言代码解…...

Redis原理与Windows环境部署实战指南:助力测试工程师优化Celery调试

引言 在分布式系统测试中&#xff0c;Celery作为异步任务队列常被用于模拟高并发场景。而Redis作为其核心消息代理&#xff0c;其性能和稳定性直接影响测试结果。本文将深入解析Redis的核心原理&#xff0c;主要讲解Windows环境部署redis&#xff0c;为测试工程师提供一套完整…...