无人机上，利用 ucos2 实现 stm32 采集磁力计数据，并通过CAN 总线发送功能

要实现基于 μC/OS-II 的 STM32 磁力计数据采集与 CAN 总线发送功能，需综合实时操作系统调度、传感器驱动、CAN 通信协议及多任务协同设计。以下是分步实现方案，结合硬件配置、软件架构和系统集成要点：

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🧰 一、系统架构设计

1. 硬件平台选型

• MCU：STM32F103/F407（带CAN控制器，如CAN1/CAN2）

• 磁力计：QMC5883L（I²C接口）或 MMC5983MA（SPI接口）

• CAN收发器：TJA1050（高速CAN）

• 接口连接

  • 磁力计：SCL/PB6, SDA/PB7（I²C）或 SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7（SPI）

  • CAN：CAN_TX/PA12, CAN_RX/PA11（需120Ω终端电阻）38

2. 软件架构

图表

代码

graph TD
  A[μC/OS-II内核] --> B[任务1：磁力计数据采集]
  A --> C[任务2：数据滤波/校准]
  A --> D[任务3：CAN报文封装与发送]
  A --> E[任务4：系统监控]
  B --> C --> D
  E --> B & D

• 任务优先级：CAN发送 > 磁力计采集 > 数据处理 > 监控（优先级递减）

• 关键资源：

  • 共享数据缓冲区（磁力计原始数据）→ 信号量保护

  • CAN发送邮箱 → 消息队列管理

μC/OS-II内核 任务分配

任务1：磁力计数据采集

任务2：数据滤波/校准

任务3：CAN报文封装与发送

任务4：系统监控

• 任务优先级：CAN发送 > 磁力计采集 > 数据处理 > 监控（优先级递减）

• 关键资源：

  • 共享数据缓冲区（磁力计原始数据）→ 信号量保护

  • CAN发送邮箱 → 消息队列管理

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⚙️ 二、μC/OS-II 环境搭建

1. 系统初始化

#include "ucos_ii.h"
void main(void) {
    OSInit();           // 初始化μC/OS-II
    HAL_Init();         // 初始化HAL库
    SystemClock_Config();
    // 创建任务
    OSTaskCreate(Task_Mag, NULL, &Task_Mag_Stk[TASK_STK_SIZE-1], 5);
    OSTaskCreate(Task_CAN, NULL, &Task_CAN_Stk[TASK_STK_SIZE-1], 3); // CAN任务优先级更高
    OSStart();          // 启动任务调度
}

2. 任务堆栈与优先级分配

任务	优先级	堆栈大小	功能
Task_CAN	3	256B	CAN报文发送
Task_Mag	5	256B	磁力计数据采集
Task_Calib	6	512B	数据校准与滤波
Task_Monitor	7	128B	系统状态监控

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🔧 三、磁力计驱动与数据采集

1. I²C/SPI 驱动配置（以QMC5883L为例）

// I²C初始化（HAL库）
void MAG_I2C_Init(void) {
    hi2c.Instance = I2C1;
    hi2c.Init.ClockSpeed = 400000; // 400kHz
    HAL_I2C_Init(&hi2c);
    // 配置磁力计寄存器
    uint8_t cfg[2] = {0x09, 0x1D}; // 连续测量模式，10Hz
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c, 0x0D<<1, 0x09, 1, &cfg[0], 1, 100);
}

2. 数据采集任务

void Task_Mag(void *p_arg) {
    int16_t mag_raw[3];
    OS_SEM pend_err;
    while (1) {
        HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c, 0x0D<<1, 0x00, 1, (uint8_t*)mag_raw, 6, 100);
        // 申请信号量访问共享缓冲区
        OSSemPend(&MagData_Sem, 0, &pend_err);
        memcpy(mag_buffer, mag_raw, sizeof(mag_raw)); // 写入缓冲区
        OSSemPost(&MagData_Sem);
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100); // 10Hz采样（100ms延时）
    }
}

3. 校准与滤波（独立任务）

void Task_Calib(void *p_arg) {
    float mag_calib[3];
    while (1) {
        OSSemPend(&MagData_Sem, 0, OS_OPT_PEND_BLOCKING, 0, &pend_err);
        // 硬铁校准：mag_calib[x] = (mag_raw[x] - offset_x) / sensitivity;
        // 低通滤波：mag_filtered[x] = 0.9 * mag_filtered[x] + 0.1 * mag_calib[x];
        OSSemPost(&MagData_Sem);
        // 发送消息至CAN任务队列
        OSQPost(&CAN_Msg_Q, (void*)mag_filtered, sizeof(float)*3, OS_OPT_POST_FIFO);
    }
}

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📡 四、CAN总线通信实现

1. CAN外设初始化（基于HAL库）

void CAN_Init(void) {
    hcan.Instance = CAN1;
    hcan.Init.Prescaler = 6;      // 500kbps (APB1=42MHz)
    hcan.Init.Mode = CAN_MODE_NORMAL;
    hcan.Init.SyncJumpWidth = CAN_SJW_1TQ;
    hcan.Init.TimeSeg1 = CAN_BS1_7TQ;
    hcan.Init.TimeSeg2 = CAN_BS2_8TQ;
    HAL_CAN_Init(&hcan);
    // 过滤器配置（接收所有报文）
    CAN_FilterTypeDef filter = {
        .FilterIdHigh = 0, .FilterMaskIdHigh = 0,  // 无过滤
        .FilterFIFOAssignment = CAN_FILTER_FIFO0,
        .FilterActivation = ENABLE
    };
    HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &filter);
    HAL_CAN_Start(&hcan);
}

2. CAN发送任务

void Task_CAN(void *p_arg) {
    CAN_TxHeaderTypeDef tx_header = {
        .StdId = 0x100,       // CAN ID
        .RTR = CAN_RTR_DATA,  
        .IDE = CAN_ID_STD,    
        .DLC = 8              // 8字节数据
    };
    uint8_t tx_data[8];
    void *msg;
    while (1) {
        // 从队列获取滤波后数据
        msg = OSQPend(&CAN_Msg_Q, 0, OS_OPT_PEND_BLOCKING, 0, &pend_err);
        float *mag_data = (float*)msg;
        // 封装数据（大端序）
        tx_data[0] = (int16_t)(mag_data[0]*1000) >> 8;  // X轴高字节
        tx_data[1] = (int16_t)(mag_data[0]*1000) & 0xFF; 
        // ... 同理填充Y/Z轴（保留2字节备用）
        HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &tx_header, tx_data, &tx_mailbox);
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 50); // 20Hz发送
    }
}

3. 中断配置（接收与错误处理）

// 在HAL_CAN_Start后使能中断
HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
// 中断回调函数（需在OS_CRITICAL_ENTER/EXIT中保护）
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) {
    OS_CRITICAL_ENTER();
    CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;
    uint8_t rx_data[8];
    HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data);
    // 解析数据（可选）
    OS_CRITICAL_EXIT();
}

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🛠️ 五、关键优化与调试技巧

1. 实时性保障

   • CAN发送任务优先级最高，避免发送延迟

   • 使用 DMA传输磁力计数据，减少CPU占用6

   • 在CAN中断中调用 OSIntEnter()/OSIntExit() 确保任务切换正确

2. 错误处理机制

   • 监控CAN错误计数器：

     uint8_t tec = (hcan.Instance->ESR & CAN_ESR_TEC) >> 16; // 发送错误计数
     if (tec > 128) HAL_CAN_ResetError(&hcan); // 错误被动状态恢复

   • 磁力计数据超时检测：

     if (OSSemPend(&MagData_Sem, 10, &err) == OS_ERR_TIMEOUT) {
         // 重启I²C或报警
     }

3. 低功耗设计

   • 磁力计DRDY引脚触发外部中断唤醒MCU

   • 空闲任务中调用 __WFI() 进入睡眠模式6

4. 调试工具

   • 逻辑分析仪：检查I²C时序与CAN波形（显性/隐性电平）

   • CANalyzer：监控总线报文，验证ID与数据格式

   • 串口打印 ：通过 OS_CRITICAL_ENTER() 保护下的 printf 输出任务状态8

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💎 六、完整代码框架示例

c

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// 全局资源定义
OS_SEM MagData_Sem;      // 磁力计数据信号量
OS_Q   CAN_Msg_Q;        // CAN消息队列

int main(void) {
    OSInit();
    // 初始化外设与OS对象
    MAG_I2C_Init();
    CAN_Init();
    OSSemCreate(&MagData_Sem, 1);   // 二进制信号量
    OSQCreate(&CAN_Msg_Q, 10);      // 消息队列容量10
    // 创建任务
    OSTaskCreate(Task_Mag,   ..., 5);
    OSTaskCreate(Task_Calib, ..., 6);
    OSTaskCreate(Task_CAN,   ..., 3);
    OSStart();
    return 0;
}