2023 EC-basic-framework（C语言版）说明

当前版本更新日期：2022.11.03

本说明仅针对电控组2023赛季框架，如有变动以日期靠后的版本为准。==由于当前仍然处在测试开发阶段，请定期拉取（git pull）获取最新更新。==

• 开发方式：

  本框架使用stm32cubemx生成，基于makefile，使用gcc-arm-none-eabi编译（make命令）。

  ！deprecated：若需使用keil5开发，请在stm32cubemx的project manager标签页下将工具链改为MDK，然后在keil中自行添加所需包含的.c文件和头文件。关于如何在keil下添加dsplib，请参考文档。

  强烈推荐使用VSCode进行开发，Ozone进行调试。

  VSCode可通过Cortex-Debug利用OpenOCD进行调试，jlink/stlink/dap-link都支持，具体的使用方法和环境配置教程在VSCode+Ozone使用方法中。

  推荐使用 SEGGER ozone进行调试。

• 分层：

  本框架主要代码分为BSP、Module、APP三层。三层的代码分别存放在同名的三个文件夹中，这三个文件夹存放在根目录下。开发过程中主要编写APP层代码，Module层与BSP层不建议修改。如需添加module（如oled屏幕、其他传感器和外设等），请按照规范编写并联系组长提交commit到dev分支，完善后合并至主分支。

  BSP层构建与HAL之上。HAL库和实时系统、DSP支持等文件都在HAL_N_Middlewares文件夹下（包括Cube生成的外设初始化的Inc和Src文件夹）。

  main.c的位置在HAL_N_Middlewares/Src/main.c

• 代码格式：

  在vscode-设置-扩展-C/C++-C_Cpp:style下修改。默认为Visual Studio。请手动修改为： { BasedOnStyle: Google, IndentWidth: 4, TabWidth: 4, ColumnLimit: 0 }。修改完成后可在代码中使用右键-格式化文档(注：请勿对cube生成的文件使用此操作)。此操作不会改变文档的内容，但会改变缩进、空行、符号位置等，使代码更加统一、整洁。

• 面向对象设计：

  C语言不存在“成员函数”的概念。为实现类似效果，所有按照这一思想构建的函数都会有一个传入参数，将结构体（对象）传入。

BSP层(Board Sopport Package)

• TODO：
  1. 增加SPI和I^2^C的BSP模组以便支持IST384磁力计和Oled显示屏等。
  2. 增加和module层的deteck_task配合的蜂鸣器和led闪烁配置。
• 主要功能：实现映射功能。
  • 在本框架中，BSP层与cube高度耦合，对该层的修改可能需要使用cube重新生成工程（主要是外设的配置，通信速度，时钟频率和分频数等）。该层也是唯一允许直接出现stm32HAL库函数的代码层，在非BSP层编写代码时，如需使用HAL_...函数，请思考是否有同功能的BSP_...函数。不过，由于ST的HAL已经对硬件进行较高的抽象（如以handle_xxx的方式描述一个硬件外设或功能引脚），因此更换开发板需要修改的内容极少。
  • 最简单的(如gpio)仅是对HAL库函数的封装。较为复杂的则会进行一定程度的处理(如can)
• 补充与修改：某款主控对应的BSP层应保持相同，当认为该层可能缺少部分功能或有错误时，请联系组长确认后解决并更新整个框架，请勿自行修改。
• 代码移植：BSP层也是在不同系列、型号的stm32间执行代码移植时主要需要关注的代码层。向功能更强系列移植一般只需要重配cube并重新组织BSP层的映射关系，而向功能较少的系列移植还需要去掉其不支持的功能。修改BSP后一般不需要对其他两层进行修改。
• 子文件与文件夹：
  • bsp.c/h：该层核心文件，其中.h被include至main.c中，以实现整个代码层的初始化。include了该层所有模块的.h并调用各模块的初始化函数。注意，有些外设如串口和CAN不需要在bsp.c中进行模块层的初始化，他们会在module层生成实例（即C语言中的结构体）并注册到bsp层时自动进行初始化。以此达到提高运行速度避免未使用的模块被加载的问题。
  • bsp_xxx.c/h：每一个成对的.c/h对应一种外设，当上面两个代码层需要使用某个外设时，这里的文件就是对应的交互接口。
• 注册回调函数与接收：通信类外设模块有的定义了回调函数类型(函数指针类型)，若调用bsp...h中的回调函数注册函数将其他位置(HAL层)定义的符合形式的函数注册为回调函数，该函数在接收到数据后或其他设定位置会被调用。在module对模块进行初始化的时候需要将对应的协议解析函数进行设置，代码中注释有对应提示。

Module层

• TODO：

  1. 添加pub-sub（订阅-发布消息机制）的支持，以进一步隔离不同的模块完成封装。
  2. 增加模块离线/错误检测模块（官方例程中的deteck_task）。
  3. 增加超级电容模块
  4. 增加步进电机模块
  5. 增加双板CAN通信模块
  6. 增加裁判系统接收、多机通信、UI绘制模块
  7. 增加舵机模块
  8. 增加单点激光模块

• 主要功能：实现对设备的封装

• 子文件与子文件夹

  • 注意，module层没有也不需要进行同意初始化。app层的应用会包含一些模块，因此由app来调用各个模块的init函数，只有当一个module被app实例化，这个模块才会存在。
  • monitor文件夹:实现看门狗功能。提供回调函数和count可选（TODO）
  • algorithm:该层软件库存放位置，这些功能与硬件无关，而是提供通用的数据结构和“算子”以供该层的其他部分调用，主要是算法、控制器、底盘和位姿解算等。

• module要点：

  • 初始化：

    根据代码对应的函数说明，传入对应的配置文件。对于某些需要集中设置的参数，一般于模块的头文件中会额外设定一个xxx_config_s的结构体用于初始化的参数传递。如果不需要进行这样的集中设置，则是直接传入对应的参数或module结构体中本就存在的成员变量。

  • 结构体：

    也就是所说的“实例”，定义一个module结构体，对于app层来说就是拥有某一个功能模块的实例，比如一个特定的电机。在对电机进行操作的时候，传入该结构体指针。

  • 函数：

    .c中存放的相当于这个类的private函数，.h中的则相当于public。相似的driver的public函数应较为统一。由于通信格式，使用方法等的不同，不同通信设备在读取操作、数据格式上可能有所不同，这些不同应该在driver的内部处理。

  • 封装程度：

    应尽可能使到上层使用时不考虑下层所需的操作。如在使用电机时，这个电机的数据该和哪些电机的数据在一个数据包中发送，can的过滤器设置，均属于应该自动处理的功能； 接收类的driver应该封装到只有初始化（用于初始化的register和发送控制命令set_control两个函数和一个实时更新的用于给app层提供该信息的数据结构体）。

Module层主要存放的是类型定义和实例指针数组，在该层没有进行实例化（定义或通过malloc分配空间），若在APP层没有实例化，则该模块的存在与否基本不会影响编译后的可执行文件，只会占用初始化和代码区所需的少量内存。module只会保存每个实例对象的指针，在没有初始化的时候仅仅占用一个指针数组的空间。因此，基于本框架的其他工程没有必要删除APP层未使用的module文件。

APP层(application)

• TODO：
  1. 完成麦克纳姆轮/全向轮底盘的功能
  2. 完成发射应用
  3. 完成云台控制应用
  4. 增加机器人整车控制应用
• 主要功能：实现机器人的控制

在完成BSP层和Module层后，如果在APP层没有控制代码，则代码并无实际功能。换言之，BSP层与Module层的存在是为了APP层更简单、更合理、更易于扩展和移植。本框架的初始目标即是实现：在APP层仅需思考逻辑并用无关硬件的C语言代码实现即可完成整个机器人的控制。所有需要使用的模块和算法都在Module层提供。

• APP层按照模块（如云台、发射、底盘）可以建立对应的子文件夹，在其中完成初始化和相关逻辑功能的编写。目前尚未对app层进行开发。

文件树

板级支持包的每个组件,每个moduel,每个app都有对应的说明文档.

ROOT:.
│  .gitignore             # git版本管理忽略文件
│  .mxproject			        # CubeMX项目文件
│  basic_framework.ioc	  # CubeMX初始化配置文件
│  Makefile               # 编译管理文件,为make命令的目标
│  openocd.cfg            # 用于OpenOCD调试使用的配置文件
│  README.md              # 本说明文档
│  startup_stm32f407xx.s  # F407汇编启动文件
│  STM32F407.svd          # F407外设地址映射文件,用于调试 
│  STM32F407IGHx_FLASH.ld # F407IGH(C板使用的MCU)的文件目标FLASH地址,用于烧录和调试
│  VSCode+Ozone使用方法.md # 开发环境配置
|
├─.vscode
│      launch.json  # 用于VSCode插件CORTEX-DEBUG调试的配置文件
|      task.json    # 启动编译的任务配置文件     
│
├─assets # markdown存放图片和外链文件夹
|
├─application # 应用层,包括底盘控制,云台控制和发射控制
│      chassis.c
│      chassis.h
│      chassis.md
│      gimbal.c
│      gimbal.h
│      gimbal.md
│      shoot.c
│      shoot.h
│      shoot.md
|      robot_cmd.c
|      robot_cmd.h
│
├─bsp  # 板级支持包,提供对硬件的封装,将接口暴露给module层
│      bsp.md
│      bsp_buzzer.c
│      bsp_buzzer.h
│      bsp_can.c
│      bsp_can.h
│      bsp_can.md
│      bsp_dwt.c
│      bsp_dwt.h
│      bsp_init.c
│      bsp_init.h
│      bsp_led.c
│      bsp_led.h
│      bsp_log.c
│      bsp_log.h
│      bsp_log.md
│      bsp_temperature.c
│      bsp_temperature.h
│      bsp_usart.c
│      bsp_usart.h
│      bsp_usart.md
│      struct_typedef.h
│
├─HAL_N_Middlewares # HAL库对寄存器操作的封装,以及FreeRTOS等中间件
|
└─modules  # 模块层,使用BSP提供的接口构建对应的功能模块,将模块实例提供给应用层
    ├─algorithm # 算法
    │      algorithm.md
    │      controller.c # 控制器
    │      controller.h
    │      crc16.c		# 循环冗余校验
    │      crc16.h
    │      crc8.c
    │      crc8.h
    │      kalman_filter.c # KF
    │      kalman_filter.h
    │      LQR.c           # LQR控制器
    │      LQR.h
    │      QuaternionEKF.c # 四元数EKF融合
    │      QuaternionEKF.h
    │      user_lib.c      # 多个模块都会使用到的函数
    │      user_lib.h
    │
    ├─can_comm # 双板CAN通信组件
    │      can_comm.c
    │      can_comm.h
    │      can_comm.md   
    | 
    ├─imu  # 考虑到使用SPI的设备较少,这里没有对SPI提供bsp支持,直接于此实现
    │      BMI088driver.c
    │      BMI088driver.h
    │      BMI088Middleware.c
    │      BMI088Middleware.h
    │      BMI088reg.h
    │      ins_task.c # 姿态解算任务,在RTOS中以1kHz运行
    │      ins_task.h
    │
    ├─led_light
    │      led_task.c # 用于指示错误和主控是否正常运行,流水灯任务
    │      led_task.h
    │
    ├─master_machine # 和上位机(视觉PC)通信的模块
    │      master_process.c
    │      master_process.h
    │      master_process.md 
    │      seasky_protocol.c 
    │      seasky_protocol.h
    │      湖南大学RoboMaster电控组通信协议.md
    │
    ├─motor # 电机模块
    │      dji_motor.c  # DJI智能电机
    │      dji_motor.h
    │      HT04.c       # 海泰-04关节电机
    │      HT04.h
    │      LK9025.c     # 瓴控9025驱动轮电机
    │      LK9025.h
    │      motor_def.h  # 电机通用定义
    │      motor_task.c # 电机控制任务,1kHz运行在RTOS上
    │      motor_task.h
    │
    ├─referee # 裁判系统模块
    │      referee.c # 接收裁判系统信息
    │      referee.h
    │      referee_UI.c # UI绘制(发送)
    │      referee_communication.c # 多机通信
    |
    ├─remote # 遥控器模块
    │      remote_control.c
    │      remote_control.h
    │
    └─super_cap # 超级电容
            super_cap.c
            super_cap.h

BSP/Module/Application介绍

在对应应用、模块和板级支持包文件夹下。

整体架构

软件分层

运行任务

初始化流程

graph TD
HAL库初始化 --> BSP初始化 --> Application初始化 --> app调用其拥有模块的初始化 --> 启动操作系统

注意，应用初始化不得放入其对应任务中，即使是在死循环前，否则可能导致一些需要定时器的任务初始化异常。

APP会调用其所有的模块的初始化函数（注册函数），这是因为本框架的设计思想是任何模块在被注册（构造/初始化）之前，都是不存在的，当且仅当定义了一个模块结构体（也称实例）的时候，才有一个实体的概念。

代码参考了哈工深南宫小樱战队的框架设计，在此鸣谢。