目錄

項(xiàng)目概述

硬件選型與連接

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

VL53L0X配置

風(fēng)扇控制 (PWM)

控制算法

遠(yuǎn)程監(jiān)控

OLED數(shù)據(jù)顯示

有待改進(jìn)的地方

項(xiàng)目源碼

直播回放

1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目基于RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和NXP FRDM-MCXA156 開發(fā)板，構(gòu)建了一個(gè)能夠?qū)⑵古仪蚍€(wěn)定懸浮在預(yù)定高度的控制系統(tǒng)。配備了本地?cái)?shù)據(jù)顯示屏和遠(yuǎn)程Web監(jiān)控界面，構(gòu)成了一個(gè)功能相對完整的嵌入式系統(tǒng)。

項(xiàng)目核心功能：

高度測量： 通過VL53L0XToF激光測距傳感器，系統(tǒng)能夠以毫米級精度實(shí)時(shí)獲取乒乓球的高度。

復(fù)合控制算法： 考慮到管道內(nèi)風(fēng)的非線性特性，我沒有采用單一的PID控制器，而是使用簡單的PID + 前饋 + 增益調(diào)度的復(fù)合控制策略，以適應(yīng)不同目標(biāo)高度下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化。

多任務(wù)并發(fā)處理： 基于RT-Thread的多線程架構(gòu)，將核心控制、OLED顯示、網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)分離到不同的線程中，確保了控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性不受其他功能影響。

遠(yuǎn)程監(jiān)控與人機(jī)交互： 系統(tǒng)通過RW007Wi-Fi模塊接入局域網(wǎng)，并借助一個(gè)Python WebSocket代理，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送到Web前端。用戶可以在瀏覽器上觀察高度、目標(biāo)等參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線，并可遠(yuǎn)程下發(fā)指令，調(diào)整懸浮的目標(biāo)高度。

本文將詳細(xì)剖析該系統(tǒng)的硬件選型、軟件架構(gòu)、核心算法實(shí)現(xiàn)以及開發(fā)過程中遇到的挑戰(zhàn)與解決方案，希望能為對嵌入式控制系統(tǒng)感興趣的開發(fā)者提供一些參考和啟發(fā)。

2 硬件選型與連接

2.0 材料準(zhǔn)備

管道：亞克力管子（外徑50mm 厚度2mm 內(nèi)孔46mm 長50cm ）

出風(fēng)口罩：隨便找一個(gè)飲料瓶，剪掉上半，底部戳幾個(gè)洞，罩在管道一側(cè)，用于穩(wěn)定管道末端風(fēng)速并防止小球飛出

風(fēng)扇：pwm 4線風(fēng)扇（12v18000轉(zhuǎn) 4線）

降壓穩(wěn)壓模塊：12v轉(zhuǎn)5v，要有12v輸出和5v輸出，注意共地

2.1 核心控制器：NXP FRDM-MCXA156

性能： 搭載 ARM Cortex-M33 內(nèi)核，主頻高達(dá) 96MHz，為復(fù)雜的控制算法和多線程應(yīng)用提供了充足的算力。

外設(shè)： 內(nèi)置多個(gè) I2C, SPI, PWM, UART 等接口，可以輕松連接本項(xiàng)目所需的各種外設(shè)，無需額外的擴(kuò)展板。

生態(tài)： NXP官方提供了完善的SDK和文檔支持，同時(shí)RT-Thread也對其有良好的適配，大大降低了開發(fā)門檻。

2.2 各功能模塊

2.3 硬件連接詳情

所有模塊與 FRDM-MCXA156 開發(fā)板的連接如下表所示。

3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的軟件核心是運(yùn)行在MCXA156上的RT-Thread嵌入式固件，它與PC端的Python代理腳本和Web前端共同構(gòu)成一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 整體架構(gòu)圖

下圖展示了系統(tǒng)的三個(gè)主要部分（嵌入式設(shè)備、中間代理、用戶端）以及它們之間的數(shù)據(jù)流和交互關(guān)系。

3.2 工作流程詳解

數(shù)據(jù)采集與控制 (主控制線程): 系統(tǒng)核心，該線程以20ms的周期運(yùn)行，在每個(gè)周期內(nèi)：

通過I2C總線讀取VL53L0X傳感器的高度數(shù)據(jù)。

根據(jù)當(dāng)前高度和斜坡化的目標(biāo)高度，執(zhí)行PID + 前饋 + 增益調(diào)度算法，計(jì)算出最終的風(fēng)扇PWM占空比（轉(zhuǎn)速）。

調(diào)用PWM驅(qū)動(dòng)，更新風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

將當(dāng)前高度、目標(biāo)高度等狀態(tài)信息寫入全局變量，供其他線程使用。

本地顯示 (OLED顯示線程): 該線程獨(dú)立于主控制循環(huán)，它定期從全局變量中讀取最新的系統(tǒng)狀態(tài)，并將其格式化后顯示在SSD1306屏幕上。

遠(yuǎn)程通信 (Websocket代理):

PC上運(yùn)行的websocket_proxy.py腳本一方面通過TCP連接到設(shè)備的TCP服務(wù)器，另一方面啟動(dòng)一個(gè)WebSocket服務(wù)等待Web瀏覽器的連接。代理腳本定期向設(shè)備發(fā)送get_status命令，設(shè)備執(zhí)行該命令后，會返回一個(gè)包含所有狀態(tài)信息的JSON字符串。腳本解析此字符串，并通過WebSocket將其推送給前

4 VL53L0X配置

可以直接使用vl53l0x這個(gè)軟件包

4.1 軟件包的啟用與配置

啟用軟件包：在 RT-Thread online packages ---> peripheral libraries and drivers ---> sensors drivers ---> 中，勾選[*] VL53L0X Time of flight(TOF) sensor.。

sensor_v1驅(qū)動(dòng)：勾選[*] Enable sensor_v1 divce framework 并啟用sample。

配置I2C總線：使用軟件I2C，配置如下

修改一下sample：

MSH_CMD_EXPORT(read_distance_sample, read distance sample);staticintrt_hw_vl53l0x_port(void){ structrt_sensor_configcfg; cfg.intf.dev_name="i2c1"; /* i2c bus */ cfg.intf.user_data= (void*)0x29; /* i2c slave addr */ rt_hw_vl53l0x_init("vl53l0x", &cfg,64);/* xshutdown ctrl pin */ returnRT_EOK;}INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_vl53l0x_port);// 在vl53l0x_sensor_v1.c中#define VL53L0X_I2C_BUS "i2c1" /* i2c linked */

4.2 應(yīng)用層調(diào)用

配置完成后，VL53L0X傳感器就被注冊為RT-Thread系統(tǒng)中一個(gè)名為tof_vl53l0x的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（要把RT_NAME_MAX改大一點(diǎn)才能顯示完全）。在main.c中，我們只需通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口即可與之交互，代碼非常簡潔：

/* --- main.c --- */// 1. 查找并打開設(shè)備rt_device_ttof_dev =rt_device_find("tof_vl53l0x");rt_device_open(tof_dev, RT_DEVICE_FLAG_RDONLY);// 2. 在主循環(huán)中讀取數(shù)據(jù)structrt_sensor_datasensor_data;rt_size_tres =rt_device_read(tof_dev,0, &sensor_data,1);// 3. 獲取毫米為單位的距離值current_height = sensor_data.data.proximity;

5 風(fēng)扇控制 (PWM)

參考Servo_sg90庫，改一改就能用，當(dāng)然也可以直接操作pwm

5.1 引腳配置

MSH_CMD_EXPORT(read_distance_sample, read distance sample);staticintrt_hw_vl53l0x_port(void){ structrt_sensor_configcfg; cfg.intf.dev_name="i2c1"; /* i2c bus */ cfg.intf.user_data= (void*)0x29; /* i2c slave addr */ rt_hw_vl53l0x_init("vl53l0x", &cfg,64);/* xshutdown ctrl pin */ returnRT_EOK;}INIT_COMPONENT_EXPORT(rt_hw_vl53l0x_port);// 在vl53l0x_sensor_v1.c中#define VL53L0X_I2C_BUS "i2c1" /* i2c linked */

5.2 核心實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)的核心在于ys4028b12h_set_speed函數(shù)：

/* --- applications/fan/YS4028B12H.c --- */rt_err_tys4028b12h_set_speed(ys4028b12h_cfg_tcfg,floatspeed){ // ... 省略參數(shù)檢查 ... // 核心邏輯：根據(jù)速度百分比計(jì)算脈沖寬度值 cfg->pulse = (int)(cfg->period * speed); // 調(diào)用RT-Thread底層PWM API進(jìn)行設(shè)置 rt_pwm_set(cfg->name, cfg->channel, cfg->period, cfg->pulse); returnRT_EOK;}

在main.c的主控制循環(huán)中，只需調(diào)用這個(gè)高層API即可：

/* --- main.c --- */// ... PID計(jì)算之后 ...floatfinal_fan_speed = ff_speed + pid_output;// ... 限幅之后 ...ys4028b12h_set_speed(cfg, final_fan_speed);

便于維護(hù)和拓展

6 控制算法

考慮到風(fēng)洞系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)（在不同高度，維持懸浮所需的風(fēng)力變化并非線性），單一的PID控制器難以在整個(gè)高度范圍（50mm ~ 450mm）內(nèi)都取得良好效果。因此，本項(xiàng)目采用了一套簡單的復(fù)合控制策略。

6.1 復(fù)合控制策略概覽

我們的控制算法主要由以下四個(gè)部分組成，它們在 main.c 的主控制循環(huán)中協(xié)同工作：

設(shè)定值斜坡 (Ramped Setpoint):變更高度時(shí)讓目標(biāo)高度緩慢變化，避免目標(biāo)高度突變帶來的系統(tǒng)劇烈震蕩。

增益調(diào)度 (Gain Scheduling):根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)高度，動(dòng)態(tài)調(diào)整PID參數(shù)（Kp, Ki, Kd），以適應(yīng)系統(tǒng)的非線性。

前饋控制 (Feed-forward):引入一個(gè)基礎(chǔ)風(fēng)速，作為PID控制的“預(yù)補(bǔ)償”，加快系統(tǒng)響應(yīng)。

PID閉環(huán)控制:經(jīng)典的比例-積分-微分控制器，用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

6.2 代碼實(shí)現(xiàn)

設(shè)定值斜坡

當(dāng)用戶設(shè)置一個(gè)新的target_height時(shí)，不直接將其作為PID控制器的目標(biāo)，而是引入一個(gè)中間變量ramped_height，讓它以固定的步長RAMP_STEP逐漸逼近最終目標(biāo)。

/* --- main.c --- */// 每一次變化的步長#defineRAMP_STEP 0.5f// 最終目標(biāo)值floattarget_height =250.0f;// PID控制器當(dāng)前追蹤的、平滑變化的目標(biāo)floatramped_height =250.0f;// 在主循環(huán)中if(FABS(ramped_height - target_height) > RAMP_STEP) { if(ramped_height < target_height) ramped_height += RAMP_STEP;? ? else?ramped_height -= RAMP_STEP;? ? // 當(dāng)追蹤目標(biāo)變化時(shí)，需要同步更新PID增益? ? update_pid_gains_by_target(ramped_height);}?else?{? ? ramped_height = target_height;}

這樣做可以有效防止因目標(biāo)值瞬間變化過大而導(dǎo)致的超調(diào)和震蕩。

增益調(diào)度與前饋

增益調(diào)度和前饋都基于預(yù)先測定好的查找表。在main.c中，我們定義了gain_schedule_table 和 ff_table。

gain_schedule_table: 存儲了不同高度下，經(jīng)過優(yōu)化的PID參數(shù)組。

ff_table: 存儲了不同高度下，一個(gè)大致能讓球懸浮的基礎(chǔ)風(fēng)速（事實(shí)上，很難找，找到一個(gè)緩慢上升的速度就可以了）。

update_pid_gains_by_target()和get_feedforward_speed()函數(shù)會根據(jù)當(dāng)前的ramped_height，通過線性插值的方式，從查找表中計(jì)算出最合適的Kp, Ki, Kd和基礎(chǔ)風(fēng)速ff_speed。

/* --- main.c: update_pid_gains_by_target() 偽代碼 --- */// 1. 找到目標(biāo)高度所在的區(qū)間lower_bound = find_closest_lower_entry(target);upper_bound = find_closest_upper_entry(target);// 2. 計(jì)算插值比例ratio = (target - lower_bound.height) / (upper_bound.height - lower_bound.height);// 3. 線性插值計(jì)算出當(dāng)前高度對應(yīng)的Kp, Ki, KdKP = lower_bound.kp + ratio * (upper_bound.kp - lower_bound.kp);KI = lower_bound.ki + ratio * (upper_bound.ki - lower_bound.ki);KD = lower_bound.kd + ratio * (upper_bound.kd - lower_bound.kd);

PID核心計(jì)算與輸出

最后，將前饋控制量與PID控制器的輸出量相加，得到最終的風(fēng)扇速度。

/* --- main.c: 主控制循環(huán)核心 --- */// PID 控制器核心計(jì)算floaterror= ramped_height - (float)current_height;integral_error +=error;float derivative_error =error- previous_error;float pid_output = (KP *error) + (KI * integral_error) + (KD * derivative_error);previous_error =error;// 前饋與PID輸出合并float ff_speed = get_feedforward_speed(ramped_height);float final_fan_speed = ff_speed + pid_output;// 輸出限幅與積分抗飽和if(final_fan_speed >1.0f) { final_fan_speed =1.0f; integral_error -=error;// 抗飽和：當(dāng)輸出飽和時(shí)，減去本次積分量}if(final_fan_speed

當(dāng)計(jì)算出的final_fan_speed超出物理限制（>1.0或<0.0）時(shí)，我們會從積分項(xiàng)integral_error中減去（或加上）本次的誤差。這可以防止積分項(xiàng)在輸出飽和期間無限制地累積，從而避免了在系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)可能出現(xiàn)的巨大超調(diào)。

7 遠(yuǎn)程監(jiān)控

為了讓控制過程可視化，并能遠(yuǎn)程干預(yù)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。其核心思想是：在設(shè)備端運(yùn)行一個(gè)自定義的TCP應(yīng)用層協(xié)議服務(wù)器，并通過一個(gè)PC端的Python腳本作為代理，將TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換成Web前端通用的WebSocket協(xié)議。

7.1 設(shè)備端：自定義TCP服務(wù)器 (remote.c)

參考network_samples，我在設(shè)備端實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的TCP服務(wù)器（applications/remote/remote.c），它監(jiān)聽在5000端口。這個(gè)服務(wù)器的功能非常專一，只響應(yīng)兩個(gè)核心命令：

get_status: 當(dāng)收到此命令時(shí)，服務(wù)器會立即讀取系統(tǒng)中所有相關(guān)的全局變量（如當(dāng)前高度、目標(biāo)高度、PID參數(shù)等），將它們打包成一個(gè)JSON字符串，然后發(fā)送給客戶端。

pid_tune: 當(dāng)收到此命令（例如pid_tune -t 300）時(shí)，服務(wù)器會直接調(diào)用已有的pid_tune()MSH函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的修改。

/* --- applications/remote/remote.c: 命令分發(fā)偽代碼 --- */// ... 接收并解析命令 ...if(strcmp(argv[0],"get_status")==0){// 打包JSON并發(fā)送sprintf(send_buf,"{"current_height":%ld, ... }", current_height,...); send(connected, send_buf,...);}elseif (strcmp(argv[0],"pid_tune")==0){// 直接調(diào)用MSH函數(shù) pid_tune(argc, argv); send(connected,"OK\r\n",...);}

這里復(fù)用了為串口命令行調(diào)試而編寫的pid_tune函數(shù)，因?yàn)橹恍枰獔?zhí)行修改不需要回顯，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息由get_status完成。

7.2 中間代理：WebSocket協(xié)議轉(zhuǎn)換器 (websocket_proxy.py)

它使用Python的asyncio和websockets庫，同時(shí)維護(hù)兩類連接：

1.一個(gè)到設(shè)備TCP服務(wù)器的持久連接：

它會定期（每100ms）自動(dòng)發(fā)送get_status命令來拉取最新數(shù)據(jù)。

當(dāng)從TCP連接收到設(shè)備返回的JSON數(shù)據(jù)后，它會立即將這些數(shù)據(jù)廣播給所有連接到它的WebSocket客戶端。

多個(gè)來自Web瀏覽器的WebSocket連接：

當(dāng)從任何一個(gè)WebSocket客戶端收到命令時(shí)（如用戶在網(wǎng)頁上調(diào)整了目標(biāo)高度），它會將這條命令原封不動(dòng)地通過TCP連接轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備。

# --- applications/remote/websocket_proxy.py: 核心邏輯偽代碼 ---# 任務(wù)一：定期請求狀態(tài)asyncdefrequest_status_periodically(): whileTrue: tcp_writer.write(b"get_status\r\n") awaitasyncio.sleep(0.1)# 任務(wù)二：處理TCP收到的數(shù)據(jù)asyncdeftcp_communication_manager(): whileTrue: message =awaittcp_reader.read() # 如果是JSON數(shù)據(jù) ifis_json(message): # 廣播給所有WebSocket客戶端 forclientinclients: awaitclient.send(message)# 任務(wù)三：處理WebSocket客戶端發(fā)來的命令asyncdefhandle_websocket_client(websocket): asyncforcommandinwebsocket: # 直接轉(zhuǎn)發(fā)給TCP服務(wù)器 tcp_writer.write(command.encode())

8 OLED數(shù)據(jù)顯示

除了遠(yuǎn)程監(jiān)控，本項(xiàng)目還集成了一塊 SSD1306 OLED屏幕，用于在設(shè)備端實(shí)時(shí)顯示關(guān)鍵信息。

8.1 顯示線程

為了不影響核心控制邏輯的實(shí)時(shí)性，要將OLED的刷新任務(wù)放在一個(gè)獨(dú)立的線程中。

/* --- main.c --- */screen_thread =rt_thread_create("ScreenUpdate", screen_on,RT_NULL,1280,11,20);rt_thread_startup(screen_thread);

screen_on函數(shù)（位于applications/OLED/screen.c）是這個(gè)線程的實(shí)體。它與主控制線程是并發(fā)執(zhí)行的。

8.2 通過全局變量進(jìn)行線程間通信

我創(chuàng)建了一個(gè)頭文件applications/system_vars.h，在其中使用 extern 關(guān)鍵字聲明了所有需要在線程間共享的變量。

/* --- applications/system_vars.h --- */#ifndefSYSTEM_VARS_H#defineSYSTEM_VARS_H// ...externint32_tcurrent_height;externfloat target_height;// ...#endif

主控制線程作為生產(chǎn)者，在每次循環(huán)的最后，會更新這些全局變量的值。

OLED顯示線程作為消費(fèi)者，它只需包含system_vars.h這個(gè)頭文件，就可以直接訪問這些變量的最新值。

/* --- applications/OLED/screen.c --- */#include// 包含全局變量聲明voidscreen_on(){ // ... u8g2初始化 ... while(1) { // 直接讀取全局變量 sprintf(buf,"Current: %d", current_height); u8g2_DrawStr(&u8g2,10,18, buf); sprintf(buf,"Target: %d", (int)target_height); u8g2_DrawStr(&u8g2,10,36, buf); u8g2_SendBuffer(&u8g2); rt_thread_mdelay(500);// 降低刷新率，避免閃爍 }}

這種“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”模式，通過共享內(nèi)存（全局變量）進(jìn)行通信，是一種簡單高效的線程間數(shù)據(jù)交換方式。對于本項(xiàng)目這種數(shù)據(jù)關(guān)系簡單、實(shí)時(shí)性要求不極端的場景來說，是一個(gè)非常合適的選擇。

9 有待改進(jìn)的地方

傳感器的I2C問題：VL53L0X傳感器在連接到MCXA156的硬件I2C總線時(shí)，始終無法被正確初始化，會卡在一個(gè)叫VL53L0X_device_read_strobe的函數(shù)上，嘗試次數(shù)超過2000，然后返回錯(cuò)誤。排查了連線問題，也確認(rèn)了I2C引腳配置了（SSD1306可以正常使用），找不出來，發(fā)現(xiàn)使用軟件i2c沒問題就擺了。

控制精度：因?yàn)榭刂扑惴ū容^簡單，而且PWM風(fēng)扇對PWM占空比的響應(yīng)也不是完全線性的（階梯式的），加之管道內(nèi)的風(fēng)流比較復(fù)雜，所以小球在懸浮時(shí)最大會有10mm左右的上下波動(dòng)，無法做到讓小球精確的懸浮在指定的高度。

控制算法優(yōu)化：目前的PID參數(shù)和前饋表是通過手動(dòng)試湊和簡單的評估腳本（貝葉斯優(yōu)化）得到的。未來可以引入更高級的系統(tǒng)辨識方法（如基于MATLAB的System Identification Toolbox）來建立更精確的數(shù)學(xué)模型，或采用在線自動(dòng)整定算法（如Ziegler-Nichols或繼電反饋法）來自動(dòng)優(yōu)化參數(shù)。

增加魯棒性：可以增加對傳感器數(shù)據(jù)異常值的濾波處理（如卡爾曼濾波），以應(yīng)對乒乓球快速晃動(dòng)或偶爾的測量噪聲。

風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)：暫時(shí)只寫了set_speed，還有通過pwm讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)速的功能沒有做。

希望本文的分享，能為同樣走在嵌入式開發(fā)道路上的朋友們提供一些有價(jià)值的參考。

10 項(xiàng)目源碼

GitHub倉庫地址：https://github.com/Cylopsis/Little-Wind-Tunnel

歡迎大家提出寶貴的意見和建議。

11 直播回放

微信視頻號直播講解回放：

RT-Thread Github 開源倉庫，歡迎撒個(gè)星(Star)支持，更期待你的代碼貢獻(xiàn)：https://github.com/RT-Thread/rt-thread