红外超声波雷达

一. 采用stm32F103和HC-SR04超声波模块，使用标准库或HAL库+ 定时器中断，完成1或2路的超声波障碍物测距功能。

CubeMX配置：

1、RCC配置外部高速晶振------HSE

2、SYS配置：Debug设置成Serial Wire

ADC1配置：配置ADC-IN1模数转换

TIM2配置：设置定时器TIM2每1us向上计数一次，通道1为上升沿捕获并连接到超声波模块的ECHO引脚

GPIO配置：PA5接到了HC-SR04的TRIG触发引脚，默认输出低电平

TIM1配置：由上面可知HC-SR04的使用需要us级的延迟函数,HAL库自带只有ms的，所以需要自己设计一个定时器

超声波模块代码：

HC-SR04.h：

c 复制代码

#ifndef HCSR04_H_
#define HCSR04_H_
 
#include "main.h"
#include "delay.h"
 
typedef struct
{
	uint8_t  edge_state;
	uint16_t tim_overflow_counter;
	uint32_t prescaler;
	uint32_t period;
	uint32_t t1;	//	上升沿时间
	uint32_t t2;	//	下降沿时间
	uint32_t high_level_us;	//	高电平持续时间
	float    distance;
	TIM_TypeDef* instance;
    uint32_t ic_tim_ch;
	HAL_TIM_ActiveChannel active_channel;
}Hcsr04InfoTypeDef;
 
extern Hcsr04InfoTypeDef Hcsr04Info;
 
/**
 * @description: 超声波模块的输入捕获定时器通道初始化
 * @param {TIM_HandleTypeDef} *htim
 * @param {uint32_t} Channel
 * @return {*}
 */
void Hcsr04Init(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel);
 
/**
 * @description: HC-SR04触发
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
void Hcsr04Start();
 
/**
 * @description: 定时器计数溢出中断处理函数
 * @param {*}    main.c中重定义void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef* htim)
 * @return {*}
 */
void Hcsr04TimOverflowIsr(TIM_HandleTypeDef *htim);
 
/**
 * @description: 输入捕获计算高电平时间->距离
 * @param {*}    main.c中重定义void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
 * @return {*}
 */
void Hcsr04TimIcIsr(TIM_HandleTypeDef* htim);
 
/**
 * @description: 读取距离 
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
float Hcsr04Read();
 
#endif /* HCSR04_H_ */

HC-SR04.c：

c 复制代码

#include "hc-sr04.h"
 
Hcsr04InfoTypeDef Hcsr04Info;
 
/**
 * @description: 超声波模块的输入捕获定时器通道初始化
 * @param {TIM_HandleTypeDef} *htim
 * @param {uint32_t} Channel
 * @return {*}
 */
void Hcsr04Init(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)
{
  /*--------[ Configure The HCSR04 IC Timer Channel ] */
  // MX_TIM2_Init();  // cubemx中配置
  Hcsr04Info.prescaler = htim->Init.Prescaler; //  72-1
  Hcsr04Info.period = htim->Init.Period;       //  65535
 
  Hcsr04Info.instance = htim->Instance;        //  TIM2
  Hcsr04Info.ic_tim_ch = Channel;
  if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_1)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  else if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_2)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  else if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_3)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_3;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  else if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_4)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_4;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  else if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_4)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_4;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  /*--------[ Start The ICU Channel ]-------*/
  HAL_TIM_Base_Start_IT(htim);
  HAL_TIM_IC_Start_IT(htim, Channel);
}
 
/**
 * @description: HC-SR04触发
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
void Hcsr04Start()
{
  HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET);
  DelayUs(10);  //  10us以上
  HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}
 
/**
 * @description: 定时器计数溢出中断处理函数
 * @param {*}    main.c中重定义void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef* htim)
 * @return {*}
 */
void Hcsr04TimOverflowIsr(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(htim->Instance == Hcsr04Info.instance) //  TIM2
  {
    Hcsr04Info.tim_overflow_counter++;
  }
}
 
/**
 * @description: 输入捕获计算高电平时间->距离
 * @param {*}    main.c中重定义void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
 * @return {*}
 */
void Hcsr04TimIcIsr(TIM_HandleTypeDef* htim)
{
  if((htim->Instance == Hcsr04Info.instance) && (htim->Channel == Hcsr04Info.active_channel))
  {
    if(Hcsr04Info.edge_state == 0)      //  捕获上升沿
    {
      // 得到上升沿开始时间T1，并更改输入捕获为下降沿
      Hcsr04Info.t1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, Hcsr04Info.ic_tim_ch);
      __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, Hcsr04Info.ic_tim_ch, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING);
      Hcsr04Info.tim_overflow_counter = 0;  //  定时器溢出计数器清零
      Hcsr04Info.edge_state = 1;        //  上升沿、下降沿捕获标志位
    }
    else if(Hcsr04Info.edge_state == 1) //  捕获下降沿
    {
      // 捕获下降沿时间T2，并计算高电平时间
      Hcsr04Info.t2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, Hcsr04Info.ic_tim_ch);
      Hcsr04Info.t2 += Hcsr04Info.tim_overflow_counter * Hcsr04Info.period; //  需要考虑定时器溢出中断
      Hcsr04Info.high_level_us = Hcsr04Info.t2 - Hcsr04Info.t1; //  高电平持续时间 = 下降沿时间点 - 上升沿时间点
      // 计算距离
      Hcsr04Info.distance = (Hcsr04Info.high_level_us / 1000000.0) * 340.0 / 2.0 * 100.0;
      // 重新开启上升沿捕获
      Hcsr04Info.edge_state = 0;  //  一次采集完毕，清零
      __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, Hcsr04Info.ic_tim_ch, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING);
    }
  }
}
 
/**
 * @description: 读取距离 
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
float Hcsr04Read()
{
  // 测距结果限幅
  if(Hcsr04Info.distance >= 500)
  {
    Hcsr04Info.distance = 500;        //元器件资料说是600cm最高距离，这里保守一点
  }
  return Hcsr04Info.distance;
}
/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
 * @description: 定时器输出捕获中断
 * @param {TIM_HandleTypeDef} *htim
 * @return {*}
 */
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)    //捕获回调函数
{
  Hcsr04TimIcIsr(htim);
}
 
/**
 * @description: 定时器溢出中断
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef* htim)    //在中断回调函数中添加用户代码
{
  Hcsr04TimOverflowIsr(htim);
}
/* USER CODE END 4 */

ranging.h：

c 复制代码

#ifndef __SHARP2Y0A21_H
#define __SHARP2Y0A21_H	
 
#include "main.h"
 
 
#define Adc1IN1Distance_READ_TIMES	10		//定义红外传感器读取次数,以便取平均值
 
void DistanceSensor_Init(void); 				//初始化红外传感器
float DistanceSensor_Get_Val(void);				//读取红外传感器的值
 
 
#endif

ranging.c：

c 复制代码

#include "sharp.h"
#include "adc.h"
#include "main.h"
#include "stdio.h"
 
//初始化ADC,不用修改
//这里我们仅以规则通道为例														   
		  
//初始化传感器，需要修改端口和引脚号，这里是c出口，c1引脚，ADC1的IN1
void DistanceSensor_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();//使能GPIOA时钟
	
  //先初始化ADC1通道11 IO口
  GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_1;//PA1
  GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;//模拟输入
  GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL ;//不带上下拉
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化  
	
 
	MX_ADC1_Init();//初始化ADC1
}
//PA1=IN1
float DistanceSensor_Get_Val(void)
{
	uint32_t temp_val=0;
	float distemp=0.0;
	uint8_t t;
	for(t=0;t<Adc1IN1Distance_READ_TIMES;t++)
	{
		temp_val+=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);	//读取ADC值,通道1
		HAL_Delay(5);
	}
	temp_val/=Adc1IN1Distance_READ_TIMES;//得到平均值,这个是平均的ADC，
	distemp=temp_val*3.3/4095;
 
	//电压对应距离
	distemp=(-13.2*distemp*distemp*distemp)+72.84*distemp*distemp-140*distemp+107.12;
  return distemp;
 
}

main 函数：

c 复制代码

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
 
  /* USER CODE END 1 */
 
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
 
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
 
  /* USER CODE BEGIN Init */
 
  /* USER CODE END Init */
 
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
 
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
 
  /* USER CODE END SysInit */
 
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C2_Init();
  MX_ADC1_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_TIM1_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  OLED_Init();
  OLED_CLS();
  Hcsr04Init(&htim2, TIM_CHANNEL_1);  // 通道选择
  Hcsr04Start();  //  启动超声波
  /* USER CODE END 2 */
 
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
 
    /* USER CODE BEGIN 3 */
		
		//显示实验对比
		OLED_ShowCN_STR(30,0,0,4);
		
		//红外测距显示
		HAL_ADC_Start(&hadc1);
        adcx=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
		distance=DistanceSensor_Get_Val();
		OLED_ShowCN_STR(0,2,4,5);
		OLED_Showdecimal(80,2,distance,3,2,16);
		
		
		//超声波测距显示
		Hcsr04Start();
		OLED_ShowCN_STR(0,4,9,5);
		OLED_Showdecimal(80,4,Hcsr04Read(),3,2,16);
 
		//显示单位
		OLED_ShowCN_STR(30,6,14,5);
				
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

二. 当前智能汽车上一般配置有12路超声波雷达，这些专用超声波雷达内置了MCU，直接输出数字化的测距结果，一般硬件接口采用串口RS485，通信协议采用modbus。请思考：

1）RS485与RS232（UART）有什么不同？

1. 通信方式

RS485 ：
- 差分信号传输：使用一对平衡信号线（A和B）进行差分传输，可以有效抵抗电磁干扰，提高通信可靠性。
- 多点通信：支持多点总线结构，最多可以连接32个驱动器和32个接收器（有扩展可支持更多设备）。
- 半双工/全双工：通常采用半双工通信（两线制），但也可以实现全双工通信（四线制）。
RS232 ：
- 单端信号传输：使用单端信号传输，相对于地传输信号，抗干扰能力较差。
- 点对点通信：只能实现点对点通信，通常只连接两个设备（一个发送，一个接收）。
- 全双工：可以同时发送和接收数据。

2. 信号电平

RS485 ：
- 差分信号电平：典型情况下，差分电压在+5V和-5V之间。
RS232 ：
- 单端信号电平：逻辑高电平（通常为-3V到-15V），逻辑低电平（通常为+3V到+15V）。

3. 传输速率

RS485 ：
- 支持较高的传输速率，通常可以达到10 Mbps（距离越短速率越高）。
RS232 ：
- 传输速率较低，通常为115200 bps，最高可达1 Mbps（距离越短速率越高）。

2）Modbus协议是什么？

Modbus协议是一种用于电子控制器之间通信的开放式协议，最早由Modicon（现为施耐德电气的一部分）在1979年开发。它已成为工业自动化和控制系统中广泛使用的通信标准。Modbus协议主要用于连接监控计算机与远程终端单元（RTU），以及不同种类的传感器和仪表之间的数据交换。

Modbus协议的主要特点

开放性：Modbus是一个开放协议，这意味着任何制造商都可以免费使用它来开发自己的Modbus设备。
简单性：Modbus协议相对简单，易于实现，特别适合资源有限的嵌入式系统。
灵活性：Modbus可以在多种通信介质上传输，包括串行通信（RS232、RS485）、以太网（Modbus TCP/IP）、以及通过各种无线技术。

Modbus的通信方式

Modbus RTU（Remote Terminal Unit）：
- 传输方式：使用RS232或RS485串行通信。
- 数据帧格式：数据以二进制形式传输，包含地址、功能码、数据、校验码（CRC）等字段。
- 适用场景：多用于工业现场，支持远距离和多点通信。
Modbus ASCII：
- 传输方式：使用RS232或RS485串行通信。
- 数据帧格式：数据以ASCII码形式传输，每个字节用两个ASCII字符表示，具有起始符（冒号）、地址、功能码、数据、校验码（LRC）、结束符（回车换行）。
- 适用场景：较少使用于工业现场，通常在一些需要与人进行交互或需要易读性的场景中使用。
Modbus TCP/IP：
- 传输方式：使用以太网通信。
- 数据帧格式：封装在TCP/IP报文中，适用于以太网环境。
- 适用场景：工业自动化系统中需要快速、可靠的通信，常用于PLC、HMI、SCADA系统之间的数据交换。

Modbus协议的工作模式

主/从（Master/Slave）模式：
- 主设备（Master）发起通信，发送请求，等待从设备（Slave）的响应。
- 从设备（Slave）被动响应主设备的请求，不能主动发送数据。
- 适用于Modbus RTU和Modbus ASCII通信模式。
客户端/服务器（Client/Server）模式：
- 客户端（Client）发起通信，发送请求，服务器（Server）被动响应。
- 适用于Modbus TCP/IP通信模式。

Modbus帧结构

Modbus通信中的数据帧结构大致如下：

地址域：标识目标设备的地址。
功能码：表示执行的操作，例如读写寄存器。
数据域：包含具体的操作数据。
错误校验码：用于检测通信错误（如CRC或LRC）。

Modbus协议的应用

工业自动化：广泛用于PLC、DCS、SCADA系统的集成和数据交换。
能源管理：电力监控系统、智能电表等。
过程控制：工厂自动化、过程监控、传感器数据采集。

3）如果让你设计一款 12路车载超声波雷达，采用 stm32F103+HC-SR04超声波模块，对外提供RS485和Modbus协议，你的设计方案是什么？

设计一款12路车载超声波雷达系统，采用STM32F103微控制器和HC-SR04超声波模块，并对外提供RS485和Modbus协议通信，涉及多个硬件和软件层面的细节。以下是一个详细的设计方案：

a、硬件设计

1. 主要组件

微控制器：STM32F103
超声波模块：12个HC-SR04
RS485收发器：如MAX485
电源管理：稳压电源模块，为系统提供稳定的5V和3.3V电压
其他：电容、电阻、连接线等

2. 硬件连接

HC-SR04超声波模块连接：
- 每个HC-SR04模块需要连接4个引脚：VCC、GND、Trig和Echo。
- VCC和GND连接到电源和地。
- Trig和Echo引脚分别连接到STM32F103的GPIO引脚。
RS485通信模块连接：
- 使用MAX485或类似的RS485收发器模块。
- 收发器的DE和RE引脚可以连接在一起，由STM32F103的GPIO控制（使能和禁用）。
- DI引脚连接到STM32F103的UART TX引脚，RO引脚连接到STM32F103的UART RX引脚。
电源管理：
- 使用DC-DC稳压模块将车载电源（如12V）降压到5V，用于供电HC-SR04模块和STM32F103。
- 可能需要进一步降压到3.3V供电STM32F103（如果它需要3.3V）。

b、软件设计

1. STM32F103固件开发

开发环境：使用Keil uVision或STM32CubeIDE。
外设初始化：
- 初始化GPIO，用于HC-SR04模块的Trig和Echo引脚。
- 初始化USART，用于RS485通信。
- 初始化定时器，用于测量HC-SR04的回声脉冲宽度。
超声波测距功能：
- 为每个HC-SR04模块配置一个Trig引脚和一个Echo引脚。
- 通过Trig引脚发送10µs的高电平脉冲，触发超声波发送。
- 使用定时器捕获Echo引脚的高电平持续时间，并计算距离。
多路超声波测距：
- 采用轮询或定时触发方式，逐个触发12个HC-SR04模块，并读取测量结果。

2. Modbus协议实现

Modbus RTU协议栈：
- 实现Modbus RTU主/从模式（通常作为从设备）。
- 实现基本的Modbus功能码，例如读取保持寄存器（0x03）、写单个寄存器（0x06）、写多个寄存器（0x10）等。
数据处理和存储：
- 将超声波测得的距离数据存储在特定的寄存器中，以便通过Modbus协议读取。
- 每个HC-SR04模块对应一个或多个寄存器。
RS485通信：
- 实现RS485收发控制，在发送数据前使能发送，在接收数据后禁用发送。
- 处理Modbus请求和响应，通过RS485接口进行数据交换。

红外超声波雷达

一. 采用stm32F103和HC-SR04超声波模块， 使用标准库或HAL库+ 定时器中断，完成1或2路的超声波障碍物测距功能。

CubeMX配置：

超声波模块代码：

二. 当前智能汽车上一般配置有12路超声波雷达，这些专用超声波雷达内置了MCU，直接输出数字化的测距结果，一般硬件接口采用串口RS485，通信协议采用modbus。请思考：

1）RS485与RS232（UART）有什么不同？

1. 通信方式

2. 信号电平

3. 传输速率

2）Modbus协议是什么？

Modbus协议的主要特点

Modbus的通信方式

Modbus协议的工作模式

Modbus帧结构

Modbus协议的应用

3）如果让你设计一款 12路车载超声波雷达，采用 stm32F103+HC-SR04超声波模块，对外提供RS485和Modbus协议，你的设计方案是什么？

a、硬件设计

1. 主要组件

2. 硬件连接

b、软件设计

1. STM32F103固件开发

2. Modbus协议实现

一. 采用stm32F103和HC-SR04超声波模块，使用标准库或HAL库+ 定时器中断，完成1或2路的超声波障碍物测距功能。