【N32电机控制大赛】基于N32G455的交互式手柄钥匙

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【N32电机控制大赛】基于N32G455的交互式手柄钥匙

背景介绍：

在工业智能制造中，机械装置越来越多地应用于车间，场矿。随之带来的操作人员权限认证与操作记录保存的需求也就日益突出。非法人员，未授权人员使用机器进行违规，危险操作；操作人员违反操作手册操作，事后追究，事故分析等问题很难清晰理清。现有权鉴方式多为传统的机械钥匙，存在易丢失，易冒用，无法追踪等风险，而对日志记录功能，基本处于空缺状态。

基于上述背景，本次项目实验设计利用国民技术加密算法库完成操作人员权限管理，利用N32G455芯片丰富的外设通讯能力操控目标设备。

方案简介：

1.       由单一操控的手柄升级为可操作，可认证的手柄钥匙；

2.       使用CAN 2.0B外设与目标控制器通讯，完成目标设备的待机与实时操作；

3.       双摇杆与按键联合，保留了易操作性，便于操作人员上手使用；

4.       兼具数据记录仪功能，类似事故的“黑匣子”可用于现场回放；

5.       通过N32板载的加密算法，实现人员认证与权限管理

方案亮点：

1.       在MCU中使用非对称加密方式加密密钥，不会泄露密码数据

2.       丰富的外设，如CAN 2.0和RS485物理层协议

3.       可对操作指令进行数据保存，可通过AES对称方式加密保存

4.       在强大的安全加密算法下，数据以低成本的TF卡形式保存。有效降低部署成本，让追溯更易普及

硬件设计框图

硬件模块设计摇杆

在对需求做市场调研时，对于机械手臂的操作，最常用的即为摇杆，操作幅度，力馈均可以较好的给操作人员带来便捷与稳定的控制。另外一种，类似于虚拟现实中的手套，体验感与科技感十足，但成本与技术门槛较高。本次设计中，采用指控摇杆的方案，成本与技术均可，体验感又保持在一定高度。

双轴摇杆采用103电位器开关实现，在设计中使用两路ADC对电压进行采集。

功能	引脚	备注
摇杆x轴	PC0
摇杆y轴	PC1

CAN外设

对于电机控制，首选CAN通讯。养分信号的物理层协议可以屏蔽掉共模信号的干扰。CAN 2.0B的高带宽，又可以满足电机控制的实时与高精度控制。CAN控制器的Filter功能又可以最大限度的减少总线数据的影响，MCU也更专注于处理算法，专注于处理自己相关的控制信息。

RS485通讯

在本次设计中，保留了低速，低成本的RS485通讯方案。此方案预留主要目的在对控制器进行固件升级，控制器配置数据更新等操作。可以将控制器连接到物联网，网关等边缘设备上。

SPI外设（SDIO外设）

本次设计中有一项为日志的数据保存。对SD卡的读写物理层上驱动可以选用SDIO和SPI两种模式。考虑时间与精力上的原因，第一阶段实现SPI模式的驱动；第二阶段再实现SDIO模式。

功能	引脚	备注
SPI1 MOSI	PA5
SPI1 SCLK	PA7
SPI1 MISO	PA6
SD select	PA4

软件模块设计

本次软件架构相对简单，使用FreeRTOS嵌入式操作系统，来实现所有需求。

任务划分

根据设计需求，我本次将任务划分如下：

l  按键和摇杆，两者均是对电机的操作，只是采样形式不同，因此划分在同一个任务之中。以周期20ms采样，并进行滤波与去抖算法

l  CAN通讯发送，在人机交互过程中，在对按键进行采集确认后，通过队列的方式接收按键键码与数值，进行封装后在CAN总线网络上发送

l  CAN通讯接收，接收到设备的数据。将有效数据收集后，转存到TF卡

按键和摇杆

摇杆采集的为模拟量，因此，在本次设计上，以阶段阈值的方式实现，即分为3档速度。

1. void bsp_adc_init(void)
   
2. {
   
3.   GPIO_InitType GPIO_InitStructure;
   
4.   ADC_InitType ADC_InitStructure;
   
5. 
   
6.   RCC_EnableAHBPeriphClk(RCC_AHB_PERIPH_ADC1, ENABLE);
   
7.   ADC_ConfigClk(ADC_CTRL3_CKMOD_AHB, RCC_ADCHCLK_DIV16);
   
8.   RCC_ConfigAdc1mClk(RCC_ADC1MCLK_SRC_HSE, RCC_ADC1MCLK_DIV8);
   
9. 
   
10.   /* Configure PC0 PC1 as analog input -------------------------*/
    
11.   GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;
    
12.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    
13.   GPIO_InitPeripheral(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
    
14. 
    
15.   /* ADC configuration ------------------------------------------------------*/
    
16.   ADC_InitStructure.WorkMode = ADC_WORKMODE_INDEPENDENT;
    
17.   ADC_InitStructure.MultiChEn = DISABLE;
    
18.   ADC_InitStructure.ContinueConvEn = DISABLE;
    
19.   ADC_InitStructure.ExtTrigSelect = ADC_EXT_TRIGCONV_NONE;
    
20.   ADC_InitStructure.DatAlign = ADC_DAT_ALIGN_R;
    
21.   ADC_InitStructure.ChsNumber = 1;
    
22.   ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    
23. 
    
24.   /* Enable ADC */
    
25.   ADC_Enable(ADC1, ENABLE);
    
26.   /*Check ADC Ready*/
    
27.   while (ADC_GetFlagStatusNew(ADC1, ADC_FLAG_RDY) == RESET)
    
28.     ;
    
29.   /* Start ADC calibration */
    
30.   ADC_StartCalibration(ADC1);
    
31.   /* Check the end of ADC calibration */
    
32.   while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1))
    
33.     ;
    
34. }
    

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CAN通讯

使用CAN1外设，设置500kbps的标准帧模式

1. void bsp_can_init(void)
   
2. {
   
3.   GPIO_InitType GPIO_InitStructure;
   
4.   CAN_InitType CAN_InitStructure;
   
5. 
   
6.   GPIO_ConfigPinRemap(GPIO_RMP1_CAN2, ENABLE);
   
7. 
   
8.   /* Configure CAN1 RX pin */
   
9.   GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_5;
   
10.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    
11.   GPIO_InitPeripheral(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
12.   /* Configure CAN1 TX pin */
    
13.   GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_6;
    
14.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    
15.   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
16.   GPIO_InitPeripheral(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
17. 
    
18.   GPIO_InitPeripheral(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
19.   RCC_EnableAPB1PeriphClk(RCC_APB1_PERIPH_CAN2, ENABLE);
    
20.   /* CAN register init */
    
21.   CAN_DeInit(CAN2);
    
22.   /* Struct init*/
    
23.   CAN_InitStruct(&CAN_InitStructure);
    
24.   /* CAN cell init */
    
25.   CAN_InitStructure.TTCM = DISABLE;
    
26.   CAN_InitStructure.ABOM = DISABLE;
    
27.   CAN_InitStructure.AWKUM = DISABLE;
    
28.   CAN_InitStructure.NART = DISABLE;
    
29.   CAN_InitStructure.RFLM = DISABLE;
    
30.   CAN_InitStructure.TXFP = ENABLE;
    
31.   CAN_InitStructure.OperatingMode = OPERATINGMODE;
    
32.   CAN_InitStructure.RSJW = CAN_BIT_RSJW;
    
33.   CAN_InitStructure.TBS1 = CAN_BIT_BS1;
    
34.   CAN_InitStructure.TBS2 = CAN_BIT_BS2;
    
35.   CAN_InitStructure.BaudRatePrescaler = CAN_BAUDRATEPRESCALER; // 500K
    
36.   /*Initializes the CAN */
    
37.   CAN_Init(CAN1, &CAN_InitStructure);
    
38.   CAN_Filter_Init();
    
39.   CAN_NVIC_Config();
    
40. }
    

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RS485通讯

1. void bsp_usart_init(void)
   
2. {
   
3. 
   
4.   USART_InitType USART_InitStructure;
   
5.   GPIO_InitType GPIO_InitStructure;
   
6.   NVIC_InitType NVIC_InitStructure;
   
7.   NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);
   
8. 
   
9.   uart_rx.length = 0;
   
10.   uart_rx.state = rx_state_idle;
    
11.   /* Enable the USARTy Interrupt */
    
12.   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    
13.   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    
14.   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    
15.   NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
16. 
    
17.   // RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_GPIOA | RCC_APB2_PERIPH_AFIO, ENABLE);
    
18.   /* Enable USARTy and USARTz Clock */
    
19.   RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_USART1, ENABLE);
    
20. 
    
21.   /* Configure USARTx Tx as alternate function push-pull */
    
22.   GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_9;
    
23.   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
24.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    
25.   GPIO_InitPeripheral(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
26. 
    
27.   /* Configure USARTx Rx as input floating */
    
28.   GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_10;
    
29.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    
30.   GPIO_InitPeripheral(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
31. 
    
32.   /* USARTy and USARTz configuration ------------------------------------------------------*/
    
33.   USART_InitStructure.BaudRate = 9600;
    
34.   USART_InitStructure.WordLength = USART_WL_8B;
    
35.   USART_InitStructure.StopBits = USART_STPB_1;
    
36.   USART_InitStructure.Parity = USART_PE_NO;
    
37.   USART_InitStructure.HardwareFlowControl = USART_HFCTRL_NONE;
    
38.   USART_InitStructure.Mode = USART_MODE_RX | USART_MODE_TX;
    
39. 
    
40.   // USART_ConfigInt(USART1, USART_INT_RXDNE, ENABLE);
    
41.   // USART_ConfigInt(USART1, USART_INT_IDLEF, ENABLE);
    
42. 
    
43.   /* Configure USARTx */
    
44.   USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    
45.   /* Enable the USARTx */
    
46.   USART_Enable(USART1, ENABLE);
    
47. }
    

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SPI通讯

SD卡操作状态流转图：

1. void bsp_spi_init(void)
   
2. {
   
3.   GPIO_InitType GPIO_InitStructure;
   
4.   SPI_InitType SPI_InitStructure;
   
5.   /* PCLK2 = HCLK/2 */
   
6.   RCC_ConfigPclk2(RCC_HCLK_DIV2);
   
7.   RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_GPIOA | RCC_APB2_PERIPH_SPI1 | RCC_APB2_PERIPH_AFIO, ENABLE);
   
8. 
   
9.   /* Configure SPIy pins: SCK, MISO and MOSI ---------------------------------*/
   
10.   GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7;
    
11.   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
12.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    
13.   GPIO_InitPeripheral(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
14. 
    
15.   GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_6;
    
16.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    
17.   GPIO_InitPeripheral(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
18. 
    
19.   /* SPI1 Config -------------------------------------------------------------*/
    
20.   SPI_InitStructure.DataDirection = SPI_DIR_DOUBLELINE_FULLDUPLEX;
    
21.   SPI_InitStructure.SpiMode = SPI_MODE_MASTER;
    
22.   SPI_InitStructure.DataLen = SPI_DATA_SIZE_8BITS;
    
23.   SPI_InitStructure.CLKPOL = SPI_CLKPOL_HIGH;
    
24.   SPI_InitStructure.CLKPHA = SPI_CLKPHA_SECOND_EDGE;
    
25.   SPI_InitStructure.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    
26.   SPI_InitStructure.BaudRatePres = SPI_BR_PRESCALER_256;
    
27.   SPI_InitStructure.FirstBit = SPI_FB_MSB;
    
28.   SPI_InitStructure.CRCPoly = 7;
    
29.   SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
    
30. 
    
31.   /* Enable SPIy */
    
32.   SPI_Enable(SPI1, ENABLE);
    
33. }
    

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实物照片