为了便于做智能小车的朋友快速方便的构建自己的小车，我很早前设计过一个轮式驱动单元，将电机、驱动电路、轮子集成在一起，只需使用TTL电平的IO口即可驱动，即常见的核心板或开发板可以直接驱动，无需外加电路。（这部分的详细介绍可以看订阅号“嵌入之梦”中智能小车主题下的相关文章）。
轮式驱动单元的实现弱化了电机驱动部分的硬件电路，用任何MCU核心板都可以方便地控制，只需编写单片机程序即可构建自己的小车。
但是还有一些朋友，他们关注的是更上一层的控制和算法，通常基于操作系统编程，不便于直接操控硬件输入、输出，硬件是由操作系统来管理的，应用程序基本与硬件隔离。
在这种状况下，如果要操控硬件，通常是通过编写驱动程序实现，这在任何一个操作系统中都是一件耗时、费力且技术含量较高的活儿。对于做策略、算法研究的朋友而言，小车只是一个验证和测试的工具，而非研究对象，所以不想在上面耗费时间。
为了让这些朋友能够方便地控制用轮式驱动单元构建的小车（如：可用笔记本电脑控制的四轮全向小车），便尝试在轮式驱动单元的驱动板上，嵌入一个单片机，从而使轮式驱动单元可以通过串口命令操控，使之成为“智能轮式驱动单元”。
通过一段时间的努力，基本实现了这个想法，虽说不太完美，但主要功能都实现了；只是由于一些其它原因，没有深入完善。
搁置数年，如今发现还有一些存货，便尝试让其复活。正好最近在轮式驱动单元的测速和PID整定上有所改进，看看是否可以应用于它，让其“重现活力”。
首先介绍一下硬件：
智能轮式驱动单元是在轮式驱动单元基础上，加入一片MCU实现，其余没有改变，故硬件介绍只涉及控制板。
由于空间限制，以及学习的需求（当初主流单片还是51系列），选择了宏晶的STC12系列的STC12C5206AD，当时主要是考虑其体积小，SO16封装。可体积小，资源也少，只有256字节RAM，6K ROM（这是10年前的选择，如今要选肯定会选Cortex-M系列，如最近才在28BYJ48步进电机控制板上所用的STM32G030F6）。
没办法，只能“螺丝壳里做道场”。不过STC的单片机还有点优势：可以直接通过串口下载程序，这样对外的接口就可少一个，对于轮式驱动单元而言还是很重要的（外接线有限）。此外，相较于经典51，STC12增加了一个PCA（可编程计数器阵列），也就是目前主流单片机（如STM32）的定时器架构，等于是增加了2个通道的定时功能，经典51只有2个定时器，很难应对电机PWM驱动、测速以及舵机驱动等几个功能同时存在。
STC12C5206AD的PCA虽然只有两个通道，加上标准51定时器T0、T1，正好满足控制中所需的定时需求，而且它的串口有单独的波特率发生器，无需占用定时器。（现在宏晶的单片机又有了不少改进，12系列似乎已经隐退，15系列成为主流）
电路的其余部分和轮式驱动单元一样，没有做任何改动。电原理图如下：
对外的接口改为：
一个2芯插头作为电机驱动的电源输入，接 4 节镍氢充电电池（或其它5~6V的电源）；
一个3芯插头作为舵机控制信号输出，可驱动舵机，电源用的是电机驱动电源；
一个4芯插头作为UART控制信号输入，分别为 GND TXD RXD VCC，VCC为5V，TTL电平。
之所以增加了舵机驱动信号输出，是因为轮式驱动单元主推的使用方式是和舵机配合，构成“可操作驱动轮”，而舵机信号也需要用单片机产生，故整合之，这样通过串口即可操作舵机，为需要使用舵机的朋友提供方便。
智能轮式驱动单元实物如下：
当时完成时也实现了测速和PID调速，由于程序空间和RAM都小，只能通过配置字选择 PID参数调试模式 还是 正常工作模式，在调试模式下，支持通过串口输出当前速度，借助PC观察调速效果，完成PID整定。
那时还没有看到关于PID自整定的相关资料，是基于PID的手工调参方式实现的。不过效果还行，就是有点费劲。
将当时的程序也附在下载资源中，有兴趣可以和目前的比对一下，看看区别。
这次“复活”，计划实现以下几项改进：
1、原来是基于VC6.0 编写的PC端辅助测试程序，在如今的Win10环境下已无法运行，必须重新编写，为和我现在做的其它辅助测试程序统一，还是基于Processing编写，实质是找一个控制功能接近的程序修改。
2、近期发现原来的倍频测速逻辑略有不足，基于目前的方式，尝试简化为：测前N个脉冲的平均周期。
3、尝试应用PID参数自整定程序实现PID参数调节。
实施过程虽说不算太难，但也遇到了一些麻烦，在此将所做的过程分享之，期望能给有兴趣的朋友提供启发。
一、PC端辅助测试程序移植
因为用智能轮式驱动单元同样会构建四轮驱动全向小车，故选择最近才用Processing实现的四轮驱动全向小车辅助测试程序为基础，修改为智能轮式驱动单元所用程序。
因为STC12C5206AD的程序空间太小，担心改变协议导致装不下，故通讯协议不变，改写Processing测试程序的通讯部分，界面基本维持不变，增加一个轮子数量选择，因为原来的协议中支持1个轮子和四个轮子的命令帧，将四个轮子的串口并联（轮子的TXD和TXD、RXD和RXD并联，利用51单片机IO口的特性，实现“线或”逻辑），通过一条命令完成对四个轮子的控制，提高同步性。
按钮中只支持PWM定距离和定速定距离操作，因为单片机中没有设计定时运行命令。
其余一些按钮保留，在需要时可以启用。我现在只是测试单轮，如果用四个轮子构建一个全向小车，便可以启用下面的几个操作按钮。
二、测速逻辑完善
因为测速是用轮毂上的齿作为编码器，分辨率较低，所以前面是基于相邻脉冲周期变化不大为基础，用上一脉冲周期推测当前不完整脉冲的时间，实现倍频从而提高编码器分辨率的目的。由于要处理各种情况，避免出现计算出不合理结果，导致程序逻辑过于繁琐。
最近在完善相关程序时，发现这个倍频对于测速而言，毫无价值，如果是要提高控制行走距离精度还有点意义，测速完全是多余，直接使用前面脉冲的周期计算即可。
为了降低周期测量波动带来的误差，采用前5个脉冲的周期平均值计算速度。
在STM32中，这个算法实现很简单，因为内存足够。在此处实现略有困难，主要是RAM太小，不敢用32位数据作为缓存，只好通过降低周期测量的分辨率，并且将STM32中的脉冲起始时间缓存改为脉冲周期缓存，从4字节降低为2字节。勉强完成了周期测量及缓存的算法。
由于计时范围需要用到PCA溢出软计数，采集脉冲出现时间要在中断处理中同时读取软计数值和硬件计时值，会遇到不同步的现象（硬件计时溢出，软计数由于在脉冲中断中，未能响应PCA溢出中断，未计），导致周期计算出错。花了点时间才消除：
修改后的速度计算就比较简单了：
有兴趣可以对比一下所提供的老程序。
三、实现PID自整定
PID参数整定一直困扰我，前段时间得空，总算是静下心来把网上的PID参数自整定程序搞明白了，而且比较圆满地用于我的小车调速。
此处自然也想尝试一下。
不过STC12C5206AD的ROM空间也有限，不可能将PID自整定完整算法加入到MCU中。
分析自整定过程，实际上由两部分组成：一是通过改变激励产生速度振荡，二是根据速度变化计算对象的响应幅值特征和时间特征，基于幅值及时间特征得到PID参数。
改变激励、产生振荡操作只能在MCU内完成，而计算可以放在PC辅助测试程序中，只要MCU可以实时将速度变化传送给PC，这个功能在原来的程序中就有。这样只要增加少量的处理程序即可，程序空间应该可以应付。
具体细节如下：
1）设置产生自整定振荡所需的激励变化参数：
速度判断中值、速度判断回差、PWM中值、PWM摆幅。为减小RAM占用以及额外的程序消耗，利用STC12C5206AD的FLASH参数空间，将上述参数定义在 FLASH ROM中，借用已有的写内存操作命令，实现参数设置，无需新增程序代码，只是增加了几个定义：
2）增加一个通讯命令：自整定命令
收到命令后，MCU启动电机，进入自整定状态，并启动速度输出：
在自整定状态中，每次计算完速度，根据速度值改变PWM，从而产生速度振荡：
3）修改速度输出内容，以满足PC自整定计算需要。原来程序输出的是运行计时值和速度，修改为：
时间(1 字节，取1ms计数器的最低字节） 当前速度（2字节，L H ，单位mm/s）当前 PWM（1字节）。
4）在PC程序原来的PID整定界面上，修改程序，配合MCU采集的速度数据，完成PID自整定计算：
在上述界面中输入相应的参数（注：先在驱动测试界面中，用读记录启动按钮启动MCU速度输出，用PWM测试功能测试不同的PWM下速度，用显示波形观察结果，从而得到自整定工作参数），按自整定按钮，将参数设置到MCU中；再按读记录启动按钮启动自整定过程。PC程序中完成自整定计算后，发停止命令给MCU，完成自整定过程。按读整定结果按钮，可以得到计算出的PID参数。
PC中的程序是将原来的PID自整定库程序移植过来的，计算部分未做修改，只是语法上的适配。
至此，顺利实现了PID参数自整定，并得到了相应的PID参数，可如何使用呢？
对比原来调试好的参数，差别很大，直接使用根本无法完成调速。仔细阅读前面实现的程序，发现在PID参数初始化中，Ki、Kd系数是需要根据采样时间折算的，PID自整定所得到的参数的采样时间是1秒，如果PID过程中的采样时间只有100ms，则Ki、Kd需要折算：
多数情况下，测速采样周期是固定的，可在智能轮式驱动单元中，由于速度是用前5个脉冲周期计算得到的，故采样周期是随速度而变化的，我用固定的采样周期折算，效果不好，尝试改为：以设定速度为基础，计算出响应的脉冲周期，从而得到采样周期，以此折算Ki、Kd，实际效果还不错。这样在每次改变设定速度时，修改相应的Ki、Kd，计算量不大。目前程序只需在收到调速命令时，计算一次。
（自整定过程速度和PWM波形）
（自整定结果）
（120mm/s调速效果）
（220mm/s调速效果）
智能轮式驱动单元PID自整定
智能轮式驱动单元PID自整定A
总体来说，调速效果不错，只是调速范围略小，低速时不行，感觉还是测速上存在问题，可能电机驱动特性也不行，或者需要改变PWM频率。我曾经仔细分析过PWM频率和占空比之间的关系，当占空比太低时，需要提高PWM频率，从而提升电机驱动的平顺性。不过这些在STC12C5206AD上无法实现了，程序空间已经基本耗尽（只剩不到100字节）。
作为一般的小车使用，目前的特性已能满足需求，方便和性能难以两全，如果想要有更大的改进空间，还是使用外置的控制板吧，前面所做的STM31F103RB控制板有足够的发挥空间。
如果有兴趣用这个智能轮式驱动单元构建小车，可以到我的淘宝店（单片机学习之家），免费赠送（不包邮），数量有限。
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文章中程序下载：
1、原来的MCU程序：
链接：https://pan.baidu.com/s/1Qg5i9eMPF36JlxmnXsp0ew
提取码：kh9l
2、本次完善后的MCU程序：
链接：https://pan.baidu.com/s/1rk4QQayIrC_8U0IDcCPSUQ
提取码：r1kt
3、本次完善后的PC辅助测试程序：
链接：https://pan.baidu.com/s/1vybrJxLZXlGLR78NLNmtiw
提取码：f9bq
