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本書主要介紹機器人運動控制的相關知識，從軟硬件兩方面講述如何使用 STM32 HAL 的方式來控制機器人運動。本書基于集成了驅動模塊的機器人控制板重點介紹 STM32 電機控制的相關理論與實踐知識，以案例的形式展開教學內容，并內嵌電路原理圖、PCB 板圖以及源代碼等，是動手實踐 STM32 的一個很好的選擇。本書主要目的是讓初學者能夠綜合運用 STM32 從無到有地做出一件產(chǎn)品。讀者通過本書的學習與實驗，可以輕松地掌握 STM32 開發(fā)工具以及基本編程方法，學會借助于 STM32CubeMX 來降低項目的開發(fā)復雜度。本書適用于高等職業(yè)院校機器人相關專業(yè)大一、大二學生，不特別要求有模擬電子技術和數(shù)字電子技術方面的基礎，但要求有比較扎實的 C 語言功底，能夠比較熟練地使用 C 語言當中的數(shù)組、指針和結構體等知識。

為了更高效地學習機器人的開發(fā)知識，我們設計并編寫了相關的教材，內容涉及 C 語言入門、STM32 開發(fā)基礎、STM32 開發(fā)案例、機器人操作系統(tǒng) ROS 等。這些教材都配有相關視頻、開發(fā)板以及傳感器等。本書集中介紹的是機器人的控制系統(tǒng) ：從硬件、軟件兩方面講述如何使用STM32 來控制機器人的運動。本書是對 STM32 開發(fā)知識的一次綜合應用，為了知識結構的完整性，在本書開頭增加了一些如軟件安裝、流水燈等基礎案例章節(jié)。對于已經(jīng)學習過 STM32 HAL 庫開發(fā)的讀者，可以直接略過這些基礎知識，跳到第 7 章開始電機控制方面的學習。
作為一本講述如何使用 STM32 驅動機器人的教材，本書盡量減少理論方面的講解，尤其避免了照搬芯片手冊和技術文檔的做法，而是以實際案例的形式，將 STM32 的開發(fā)知識融入實際的控制項目當中。本書提供了完整的機器人控制板的原理圖、PCB 和源代碼，并在書中基于這些案例進行分析。學習完本書后，讀者可以依照書中的原理圖定制實現(xiàn)自己的機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對所學知識的實際應用。
近些年，隨著 STM32 的日益廣泛應用，STM32 工程師崗位的需求也越來越多，但是學習 STM32 與學習傳統(tǒng)的單片機的方法并不相同，這主要是因為 STM32 的庫函數(shù)，在提供了巨大方便的同時，也會讓學習者進入不知所以然的境地。所以，通過開發(fā)一套控制機器人的系統(tǒng)，采用 STM32 的知識從無到有地搭建一套系統(tǒng)，就可以非常高效地掌握相關知識，滿足相關崗位就業(yè)的要求。
本書采用了 HAL 庫開發(fā)方式，主要的編程環(huán)境是 Keil MDK（后文簡稱 MDK） STM32CubeMX（后文簡稱 MX）。MX 是一個全面的軟件平臺，包括 ST 產(chǎn)品的每個系列。MX 是由意法半導體公司（后文簡稱 ST 公司或 ST）原創(chuàng)倡議，旨在減少開發(fā)負擔、時間和費用，為開發(fā)者提供輕松的開發(fā)體驗。本書內容覆蓋了 STM32 全系列，其中 STM32CubeMX 是上位機配置軟件，可以根據(jù)使用者的選擇生成底層初始化代碼。硬件抽象層（HAL）是 MX 配套的庫，HAL 庫屏蔽了復雜的硬件寄存器操作，統(tǒng)一了外設的接口函數(shù)（包含 USB/ 以太網(wǎng)等復雜外設），代碼結構強壯，已通過 CodeSonar 認證。同時，HAL 還集成了廣泛的例程，可以運行在ST 公司的開發(fā)板上。
本書配套有獨立開發(fā)的機器人控制系統(tǒng)，采用了 STM32F103 芯片。與傳統(tǒng)的單片機開發(fā)板不同的是，我們將電機驅動模塊集成在這塊控制系統(tǒng)當中，用戶只需要引出接線到電機插口上即可實現(xiàn)硬件的組裝，極大地提高了機器人控制的集成度。
本節(jié)主要內容如下：
第 1 章是對 HAL 庫的基本介紹，讀者可以通過閱讀本章了解 HAL
的相關信息。
第 2 章是對軟硬件平臺的介紹，軟件平臺主要介紹了 MDK 和 MX 的安裝與配置，其他如串口助手、字模軟件等小軟件由讀者自己去使用即可；硬件平臺是獨立開發(fā)的機器人控制系統(tǒng)，包括控制板和控制底盤、輪子等。
第 3 章 ~ 第 7 章是對一些基礎案例的回顧，采用 HAL 庫開發(fā)方式，如果讀者已經(jīng)對 STM32 的基礎開發(fā)比較熟悉，可以略過這些章。
第 8 章 ~ 第 14 章分別介紹了 STM32 定時器、電機的控制原理、測速與運動控制等，是本書的核心內容。
本書的重要目標是讓初學者能夠綜合地運用 STM32 知識做出一件產(chǎn)品。讀者通過本書的學習與實驗，可以輕松愉快地掌握 STM32 開發(fā)工具以及基本編程方法，學會借助于 MX 來降低項目的開發(fā)復雜度。
由于時間倉促，編者水平有限，書中難免存在疏漏與不妥之處，懇請讀者批評指正。
編者
2020 年 2 月
為了更高效地學習機器人的開發(fā)知識，我們設計并編寫了相關的教材，內容涉及 C 語言入門、STM32 開發(fā)基礎、STM32 開發(fā)案例、機器人操作系統(tǒng) ROS 等。這些教材都配有相關視頻、開發(fā)板以及傳感器等。本書集中介紹的是機器人的控制系統(tǒng) ：從硬件、軟件兩方面講述如何使用STM32 來控制機器人的運動。本書是對 STM32 開發(fā)知識的一次綜合應用，為了知識結構的完整性，在本書開頭增加了一些如軟件安裝、流水燈等基礎案例章節(jié)。對于已經(jīng)學習過 STM32 HAL 庫開發(fā)的讀者，可以直接略過這些基礎知識，跳到第 7 章開始電機控制方面的學習。
作為一本講述如何使用 STM32 驅動機器人的教材，本書盡量減少理論方面的講解，尤其避免了照搬芯片手冊和技術文檔的做法，而是以實際案例的形式，將 STM32 的開發(fā)知識融入實際的控制項目當中。本書提供了完整的機器人控制板的原理圖、PCB 和源代碼，并在書中基于這些案例進行分析。學習完本書后，讀者可以依照書中的原理圖定制實現(xiàn)自己的機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對所學知識的實際應用。
近些年，隨著 STM32 的日益廣泛應用，STM32 工程師崗位的需求也越來越多，但是學習 STM32 與學習傳統(tǒng)的單片機的方法并不相同，這主要是因為 STM32 的庫函數(shù)，在提供了巨大方便的同時，也會讓學習者進入不知所以然的境地。所以，通過開發(fā)一套控制機器人的系統(tǒng)，采用 STM32 的知識從無到有地搭建一套系統(tǒng)，就可以非常高效地掌握相關知識，滿足相關崗位就業(yè)的要求。
本書采用了 HAL 庫開發(fā)方式，主要的編程環(huán)境是 Keil MDK（后文簡稱 MDK） STM32CubeMX（后文簡稱 MX）。MX 是一個全面的軟件平臺，包括 ST 產(chǎn)品的每個系列。MX 是由意法半導體公司（后文簡稱 ST 公司或 ST）原創(chuàng)倡議，旨在減少開發(fā)負擔、時間和費用，為開發(fā)者提供輕松的開發(fā)體驗。本書內容覆蓋了 STM32 全系列，其中 STM32CubeMX 是上位機配置軟件，可以根據(jù)使用者的選擇生成底層初始化代碼。硬件抽象層（HAL）是 MX 配套的庫，HAL 庫屏蔽了復雜的硬件寄存器操作，統(tǒng)一了外設的接口函數(shù)（包含 USB/ 以太網(wǎng)等復雜外設），代碼結構強壯，已通過 CodeSonar 認證。同時，HAL 還集成了廣泛的例程，可以運行在ST 公司的開發(fā)板上。
本書配套有獨立開發(fā)的機器人控制系統(tǒng)，采用了 STM32F103 芯片。與傳統(tǒng)的單片機開發(fā)板不同的是，我們將電機驅動模塊集成在這塊控制系統(tǒng)當中，用戶只需要引出接線到電機插口上即可實現(xiàn)硬件的組裝，極大地提高了機器人控制的集成度。
本節(jié)主要內容如下：
第 1 章是對 HAL 庫的基本介紹，讀者可以通過閱讀本章了解 HAL
的相關信息。
第 2 章是對軟硬件平臺的介紹，軟件平臺主要介紹了 MDK 和 MX 的安裝與配置，其他如串口助手、字模軟件等小軟件由讀者自己去使用即可；硬件平臺是獨立開發(fā)的機器人控制系統(tǒng)，包括控制板和控制底盤、輪子等。
第 3 章 ~ 第 7 章是對一些基礎案例的回顧，采用 HAL 庫開發(fā)方式，如果讀者已經(jīng)對 STM32 的基礎開發(fā)比較熟悉，可以略過這些章。
第 8 章 ~ 第 14 章分別介紹了 STM32 定時器、電機的控制原理、測速與運動控制等，是本書的核心內容。
本書的重要目標是讓初學者能夠綜合地運用 STM32 知識做出一件產(chǎn)品。讀者通過本書的學習與實驗，可以輕松愉快地掌握 STM32 開發(fā)工具以及基本編程方法，學會借助于 MX 來降低項目的開發(fā)復雜度。
由于時間倉促，編者水平有限，書中難免存在疏漏與不妥之處，懇請讀者批評指正。
編者
2020 年 2 月

STM32 與 HAL 庫介紹 1
1.1 STM32 簡介 1
1.2 STM32 硬件設計 1
1.3 STM32 軟件編程 2
1.3.1 寄存器編程 2
1.3.2 標準外設庫編程 2
1.3.3 HAL 庫編程 2
1.4 HAL 庫特點 3
1.5 學習方法 4
習題 5
軟硬件平臺 6
2.1 硬件平臺 6
2.1.1 控制板 6
2.1.2 底盤 7
2.1.3 電池 8
2.2 軟件安裝與配置 9
2.2.1 Keil 安裝 9
2.2.2 MX 的安裝和使用 16
2.2.3 Keil 5 軟件的使用 28
2.2.4 程序編譯和下載 33
習題 36
流水燈 37
3.1 理論介紹 37
3.1.1 引腳分類 37
3.1.2 端口 Port 39
3.1.3 GPIO 簡介 39
3.1.4 GPIO 模式配置 39
3.1.5 HAL 庫函數(shù) 40
3.2 硬件設計 40
3.3 軟件設計 41
3.3.1 軟件編程思路 41
3.3.2 MX 生成工程 41
3.3.3 關鍵代碼分析 48
習題 54
第 4 章
4.1 硬件設計 55
4.2 消抖 56
4.3 軟件設計 57
4.3.1 軟件編程思路 57
4.3.2 MX 生成工程 58
4.3.3 關鍵代碼分析 60
4.4 實驗現(xiàn)象 60
習題 60
第 5 章
5.1 中斷 61
5.1.1 中斷的概念 61
5.1.2 NVIC 簡介 62
5.1.3 優(yōu)先級分組 62
5.1.4 NVIC 庫函數(shù) 62
5.1.5 外部中斷 EXTI 66
5.1.6 外部中斷處理流程 66
5.2 MX 生成工程 66
5.3 軟件設計 68
5.3.1 外部中斷初始化 68
5.3.2 外部中斷的中斷處理函數(shù) 70
5.4 下載運行 72
習題 72
第 6 章
6.1 串行通信介紹 73
6.2 串口通信協(xié)議 74
6.3 硬件原理圖 75
6.4 F103RC 串口 76
6.5 MX 生成工程 76
6.6 串口應用案例 78
6.6.1 簡單發(fā)送接收 78
6.6.2 printf 與 scanf 79
6.6.3 接收幀解析 79
6.6.4 接收定時解析 80
習題 82
集成電路總線（IIC） 83
7.1 IIC 概述 83
7.1.1 IIC 簡介 83
7.1.2 IIC 協(xié)議 83
7.2 硬件設計 85
7.3 軟件設計 85
7.3.1 GPIO 初始化 85
7.3.2 IIC 時序信號 86
7.4 IIC 接口應用案例EEPROM 應用 IIC 接口 88
習題 92
電機分類與原理介紹 93
8.1 電動機分類 93
8.1.1 有刷直流電機 94
8.1.2 無刷直流電機 95
8.1.3 伺服電機 95
8.1.4 步進電機 96
8.1.5 舵機 96
8.2 三個基本定則 97
8.2.1 左手定則 97
8.2.2 右手定則 97
8.2.3 安培定則 98
8.3 直流電機工作原理 98
8.3.1 構成 99
8.3.2 電動勢與能量轉換 99
習題 99
直流減速電機控制 100
9.1 直流減速電機介紹 100
9.2 電機驅動 102
9.2.1 驅動器 103
9.2.2 H 橋電路分析 104
9.2.3 PWM 作為控制信號 105
9.3 常見電機驅動方案 107
9.3.1 L298N 驅動芯片 108
9.3.2 BTS7970 驅動芯片 110
9.3.3 IR2104 驅動芯片 110
習題 111
第 10 章
10.1 定時器 112
10.1.1 定時器簡介 112
10.1.2 定時器工作原理 113
10.1.3 功能框圖 113
10.1.4 輸出比較 115
10.1.5 輸入捕獲 115
10.2 脈沖寬度調制 117
10.3 MX 生成工程 119
10.4 定時器應用 122
10.4.1 實現(xiàn)定時 1s 122
10.4.2 輸出比較生成 PWM 122
10.4.3 PWM 呼吸燈 126
10.4.4 按鍵周期檢測 129
10.4.5 電容按鍵檢測 133
10.4.6 測量頻率與占空比 136
習題 142
第 11 章
11.1 高級控制定時器 143
11.2 高級控制定時器特性 144
11.3 MX 設置與代碼 144
11.3.1 輸出比較 144
11.3.2 PWM 輸出 146
習題 151
第 12 章
12.1 25GA370 直流減速電機 152
12.1.1 電機參數(shù) 152
12.1.2 硬件連接 153
12.2 MX 生成工程 154
12.3 減速電機旋轉驅動編程 157
12.3.1 編程流程 157
12.3.2 驅動代碼分析 157
12.3.3 操作與現(xiàn)象 160
習題 160
編碼器測速 161
13.1 編碼器的分類及原理 161
13.2 增量式編碼器脈沖輸入模式 163
13.3 25GA370 減速電機編碼器 164
13.4 MX 生成工程 165
13.5 減速電機編碼測速編程 166
13.5.1 流程分析 166
13.5.2 代碼分析 167
習題 167
機器人運動模型 168
14.1 雙輪機器人運動控制 168
14.1.1 機器人理想運動模型 168
14.1.2 雙輪機器人底座 168
14.1.3 雙輪機器人運動模型 169
14.2 三輪全向機器人運動控制 170
14.2.1 全向輪 170
14.2.2 三輪全向運動模型 171
習題 173
軟件中圖形符號與國家標準圖形符號對照表 174

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