王寅文，易文淏，易宇琦，張 輝，鄭子豪

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 引言

隨著世界逐步進(jìn)入信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)已運(yùn)用在生活的方方面面，而我國(guó)更是計(jì)算機(jī)技術(shù)的大國(guó)。在這樣的時(shí)代背景下，讓青少年從小接觸編程教育就顯得尤為重要。正是基于這樣的需求，此外通過研究國(guó)內(nèi)外類似產(chǎn)品，例如 SCRACTH、ardublock等，發(fā)現(xiàn)了市面上現(xiàn)存的圖形編程平臺(tái)或只局限線上編程，或單單利用了arduino或者樹莓派等硬件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。類似arduino這樣的硬件平臺(tái)很少用于實(shí)際工業(yè)以及嵌入式項(xiàng)目的專業(yè)開發(fā)。為了彌補(bǔ)這一不足，同時(shí)使學(xué)習(xí)過程更加完善，因此本文采用STM32作為硬件平臺(tái)，使學(xué)習(xí)者能夠更接近實(shí)際工程的開發(fā)，培養(yǎng)其計(jì)算思維。本文使用C++作為編程語言，硬件系統(tǒng)以 STM32作為核心處理器，以Qt作為UI界面的工具架構(gòu)。

本文通過搭建一個(gè)宿主機(jī)上運(yùn)行的圖形編程平臺(tái)，用戶可以通過此平臺(tái)熟悉編程，并且通過軟件平臺(tái)控制兩個(gè)硬件子平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來實(shí)際檢驗(yàn)自己的編程成果，并且在硬件平臺(tái)上加入多種外圍設(shè)備，以提高軟件編程的趣味性與多樣性。

1 STM硬件開發(fā)軟件模擬

本文將軟件平臺(tái)分為前臺(tái)設(shè)計(jì)與后臺(tái)設(shè)計(jì)。前臺(tái)設(shè)計(jì)指利用QT軟件編程的UI界面，其主要作用是面向使用者展現(xiàn)易于上手的編程界面，通過圖形化的編程方式，得到“所見即所得”的編程效果。而后臺(tái)設(shè)計(jì)主要指利用C++編程語言實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32的控制，利用相應(yīng)程序進(jìn)入STM32的BootLoader，將編寫好的程序燒錄至芯片中，通過硬件平臺(tái)完成相應(yīng)的功能。

1.1 Qt主窗口與Unity坐標(biāo)變換UI設(shè)計(jì)比較

本文將主窗口界面劃分為三個(gè)部分，即畫布部件，語句設(shè)計(jì)部件和工具部件。在畫布部件中，分割的子窗口提供出用戶想要做的事情，用戶根據(jù)自己的當(dāng)時(shí)想法選擇并進(jìn)入該事件中，用戶點(diǎn)擊語句后語句顯示在語句設(shè)計(jì)窗口中并對(duì)語句進(jìn)行排序，不論用戶是否拼接正確，都會(huì)彈出消息框來提示用戶，消息框本文采取以卡通人物或者其他的形式彈出，不同的消息框會(huì)出現(xiàn)不同的形式，從而吸引用戶的興趣。若用戶拼接成功，在恭喜用戶之后，用戶可以將程序燒入致硬件平臺(tái)中，以此來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。否則，會(huì)彈出失敗的對(duì)話框來提醒用戶拼接失敗，并在下面的消息框中顯示出用戶拼接錯(cuò)誤的地方。

在整個(gè)主窗口顯示過程中，平臺(tái)會(huì)插入背景動(dòng)態(tài)圖，在其他的子窗口本文也會(huì)插入相應(yīng)的背景圖，在拼接過程中，每一步都要有相應(yīng)的背景音樂，并擁有不同的效果音。本文采用類似于闖關(guān)的形式設(shè)置編程難度，分別不同學(xué)習(xí)能力的用戶。

本文在使用Qt軟件進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)中，將各部分類別以及功能進(jìn)行了詳細(xì)的劃分：

（1）主窗口類

主窗口類的基本元素有菜單欄，狀態(tài)欄、工具

欄，錨接部件和中心部件。主窗口中可以部署其他子窗口，而本文在主窗口中部署了三個(gè)子窗口，分別為畫布部件，語句設(shè)計(jì)部件和工具部件。

圖1 Qt界面布局Fig.1 Qt interface layout

（2）工具部件

本文通過在主窗口中添加子窗口并命名為工具部件，主要完成設(shè)置鼠標(biāo)拖拽事件，即用戶將要拖拽的代碼條框所在區(qū)，在此窗口中的程序可以拖拽但不可修改。以及繪制場(chǎng)景，本文會(huì)在此子窗口中單獨(dú)繪制其專屬場(chǎng)景。

（3）畫布部件

本文在主窗口中添加子窗口并命名為畫布部件，主要完成繪制場(chǎng)景，本文會(huì)在此子窗口中單獨(dú)繪制其專屬場(chǎng)景；以及功能選擇，用戶可以在此窗口中選擇想要小車實(shí)現(xiàn)的功能并再點(diǎn)擊后將相關(guān)的代碼條框在工具部件中顯示。

（4）語句設(shè)計(jì)部件

本文通過在主窗口中添加子窗口并命名為語句設(shè)計(jì)部件，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)置拖拽事件，用戶可以在此界面中用鼠標(biāo)對(duì)程序進(jìn)行拖拽排序。手動(dòng)添加代碼，用戶可以在此界面中補(bǔ)全程序所缺內(nèi)容或自己敲寫代碼。

（5）記錄行為類

即用戶在語句設(shè)計(jì)中拼接成功的可實(shí)現(xiàn)小車功能的完整程序。

使用Qt完成軟件前臺(tái)設(shè)計(jì)理論框圖如圖2所示。

此外本文還通過unity實(shí)現(xiàn)來軟件前臺(tái)的制作。首先編寫坐標(biāo)變換函數(shù)，通過模塊對(duì)于攝像機(jī)的方向來計(jì)算被拖動(dòng)模塊在單位向量上的法向量，從而將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)，再將鼠標(biāo)的屏幕坐標(biāo)通過以上函數(shù)也轉(zhuǎn)換成世界坐標(biāo)，獲得鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置的坐標(biāo)點(diǎn)，然后賦值給模塊。最后計(jì)算獲取鼠標(biāo)拖拽后的坐標(biāo)以及物體與鼠標(biāo)間的偏移量實(shí)現(xiàn)模塊的拖動(dòng)功能。

圖2 Qt理論框圖Fig.2 Qt theoretical block diagram

通過計(jì)算模塊間重心的相對(duì)距離向量、最小間距與上下高度判斷從而改變世界坐標(biāo)，亦或加入碰撞檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)模塊聯(lián)動(dòng)間的拖動(dòng)插入調(diào)整。將程序指令塊以字符串的形式封裝在各自的模塊里，順序拼接模塊完善程序、實(shí)現(xiàn)功能。

通過對(duì)Qt以及unity的對(duì)比，由于Qt的方便性以及專用性，本文最終選擇使用Qt軟件進(jìn)行軟件前臺(tái)的設(shè)計(jì)。

1.2 軟件模擬STM32串口Bootloader燒錄

本文將軟件后臺(tái)設(shè)計(jì)為主要完成對(duì)用戶的圖形模塊程序的編譯、綜合、下載，可以分為以下幾步。

1.2.1 模塊編譯

在本文中，系統(tǒng)使用模塊C語言文本映射法，完成圖形模塊到C語言的轉(zhuǎn)換，主要完成以下幾個(gè)工作。

（1）確定模塊的邏輯位置

將模塊分為兩個(gè)類別，一個(gè)是為位于程序主干的非填充類，和位于循環(huán)和選擇語句中的填充類，每一個(gè)填充類對(duì)于其中的選擇循環(huán)語句又屬于非填充類，這樣語句就有了層層鏈條的關(guān)系，對(duì)于同屬于一個(gè)類別的模塊們，使用指針將其串成鏈表，這樣就確定了模塊的邏輯順序。

（2）循環(huán)與代碼填充

通過循環(huán)與選擇后的關(guān)鍵字確定循環(huán)與選擇語句的尾部，填充到尾前即可。

（3）參數(shù)修改

用戶通過接口為字符串修改參數(shù)

（4）邏輯查錯(cuò)

由于已經(jīng)對(duì)代碼進(jìn)行了封裝，一定程度上不會(huì)存在語法錯(cuò)誤，而只有邏輯上的錯(cuò)誤。

（5）字符串拼接

同樣通過關(guān)鍵字確定每個(gè)模塊的字符串的尾部，然后根據(jù)這個(gè)位置按順序拼接字符串。

圖3 模塊邏輯位置確定示意圖Fig.3 Schematic diagram of module logical position determination

1.2.2 C語言文件綜合

用戶使用特別定制編譯器完成C語言到匯編語言再到hex文件的轉(zhuǎn)換，編譯器是專門為STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的，符合STM32的配置習(xí)慣。

1.2.3 將HEX轉(zhuǎn)換bin文件并通過串口下載到單片機(jī)中

先將Hex文件轉(zhuǎn)化為bin文件，然后根據(jù)STM32的 Bootloader協(xié)議使用動(dòng)態(tài)庫 STMBLLIB.dll與STUARTBLLIB.dll完成下載工作，具體步驟如圖4。

圖4 文件轉(zhuǎn)換燒錄示意圖Fig.4 Schematic diagram of file conversion and programing

2 STM硬件開發(fā)平臺(tái)

本文將硬件平臺(tái)分為兩個(gè)子平臺(tái)，一個(gè)是智能小車平臺(tái)，另一個(gè)是無人機(jī)平臺(tái)。兩個(gè)平臺(tái)的主控制芯片都為STM32。通過前文所述的軟件平臺(tái)將編譯好的程序直接燒錄其中，通過小車以及無人機(jī)的相應(yīng)動(dòng)作來驗(yàn)證程序的正確性。

STM32是由ST公司開發(fā)的32位微控制器，該芯片內(nèi)核是由ARM公司推出的全新的基于ARMv7架構(gòu)的32位Cortex-M3微控制器內(nèi)核，并由ST公司添加了相應(yīng)的外圍設(shè)備。而STM32憑借其產(chǎn)品的多樣化、極高的性價(jià)比，簡(jiǎn)單易用的開發(fā)方式脫穎而出，在現(xiàn)代嵌入式設(shè)計(jì)中起著不可替代的作用。

2.1 PWM控制小車以及外圍傳感器通信

本文使用 STM32F103ZET6作為智能小車的控制芯片，通過添加光電傳感器、超聲波測(cè)距以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片等外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)程序在硬件上的運(yùn)行。使青少年在學(xué)習(xí)編程中，能夠直觀地檢查所編寫的程序邏輯與語法是否有錯(cuò)誤，此外，還能通過小車不同的行為模式來激發(fā)青少年學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到寓教于樂的作用。

智能小車的運(yùn)動(dòng)采用 PWM控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D，即脈寬調(diào)制方式來控制小車的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向。

STM32F103ZET6包含 8個(gè)定時(shí)器，其中有 2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，6個(gè)通用定時(shí)器；其中一個(gè)定時(shí)器擁有4路通道，每一路通道可以輸出4路占空比不同的 PWM波，這極大的簡(jiǎn)化了小車的控制。本文利用TIM2定時(shí)器，輸出4路PWM波，通過選用相應(yīng)引腳是否開啟復(fù)用功能以確定小車前進(jìn)方向；利用差速轉(zhuǎn)向的原理控制小車的左右；同時(shí)改變PWM波的占空比來調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到了比較良好的小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖5 輸出四路不同占空比的PWM波Fig.5 Output four PWM waves with different duty cycles

同時(shí)再利用其它不同的傳感器，例如光電傳感器，通過對(duì)光線的反射而達(dá)到避障或巡線的功能；或者使用其它傳感器通過直接與 MCU相連或者使用IIC、SPI等協(xié)議進(jìn)行通信，可以使小車完成許多實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，可以讓使用者充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，從而提高平臺(tái)編程的多樣性與趣味性。

2.2 串行PID解算無人機(jī)飛行姿態(tài)

本文著重介紹如何實(shí)現(xiàn)無人機(jī)子平臺(tái)的飛行姿態(tài)解算過程。其他外圍設(shè)備則可通過IIC，SPI等通信協(xié)議進(jìn)行添加，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

本文通過STM32讀取MPU60506個(gè)原始數(shù)據(jù)，即加速度計(jì)測(cè)得的三軸的加速度與陀螺儀測(cè)得的角速度。通過加速度和角速度都可以得到Pitch和Roll角（加速度不能得到Y(jié)aw角）[13]，但MPU6050的加速度計(jì)和陀螺儀各有優(yōu)缺點(diǎn)，三軸的加速度值可以直接通過正切運(yùn)算得到傾角，但是包含待測(cè)物運(yùn)動(dòng)震動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲，使得誤差較大；陀螺儀對(duì)外界振動(dòng)影響小，精度高，通過對(duì)角速度積分可以得到傾角，但是會(huì)隨著時(shí)間累計(jì)，產(chǎn)生的誤差越大。因此，不能單獨(dú)使用MPU6050的加速度計(jì)或陀螺儀來得到傾角[13]，需要采取姿態(tài)融合的方法，盡量減小噪聲。常見的姿態(tài)融合算法有四元數(shù)解算，一階互補(bǔ)濾波，二階互補(bǔ)濾波，卡爾曼濾波等。

姿態(tài)解算后，得到歐拉角，其對(duì)時(shí)間求導(dǎo)即得到角速度，然后利用串行PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM控制。

內(nèi)外環(huán)PID（式1）算法如下：

其中，εθ為當(dāng)前角度誤差，θe為期望角度，θn當(dāng)前角度， Pout為外環(huán)PID的P項(xiàng)輸出， K pout為外環(huán)PID的P項(xiàng)系數(shù)， εθ(t )為當(dāng)前角度誤差，Iout為外環(huán)PID的I項(xiàng)輸出，K iout為外環(huán)PID的I項(xiàng)參數(shù)，PIDout為外環(huán)PID輸出。

內(nèi)環(huán)PID（式2）：

其中， εω( t )為當(dāng)前角速度誤差， ωn(t )為當(dāng)前角速度， Pin為內(nèi)環(huán)PID的P項(xiàng)輸出， 為內(nèi)環(huán)PID的P項(xiàng)參數(shù)， Iin為內(nèi)環(huán)PID的I項(xiàng)輸出， K iin為內(nèi)環(huán)PID的I項(xiàng)參數(shù)，Din為內(nèi)環(huán)PID的D項(xiàng)輸出，K din為內(nèi)環(huán)PID的D項(xiàng)參數(shù)，P IDin為內(nèi)環(huán)PID的輸出。

圖6 串行PID控制方框圖Fig.6 Block diagram of serial PID control

3 結(jié)語

本文通過研究模塊化編程以及建立軟件與硬件之間的相互聯(lián)系，找到了有效的編程燒錄方法，通過軟件編程的圖示化，有效的達(dá)到了“所見即所得”的編程目標(biāo)，同時(shí)也與硬件教具相聯(lián)系，能夠較好地支持與輔導(dǎo)青少年的編程學(xué)習(xí)。但在如何提高平臺(tái)的編程趣味性以及簡(jiǎn)化軟硬件平臺(tái)之間的下載與通信有著較大的研究空間。