ESP32:藍芽BLE控制M3508電機

胡小安發表於2022-02-03

ESP32:藍芽BLE控制M3508電機

先給各位朋友拜個年，祝大家新春快樂，事事順利，身體健康啊！

還是熟悉的3508，內容概述：

ESP32主控

藍芽BLE通訊

使用實時系統（FreeRTOS）

使用ESP32的TWAI匯流排（CAN）

ESP32使用ESP-IDF v4.3開發，倉庫地址放在文末。

ESP32的TWAI（CAN）

概覽與對比

有人說ESP32沒有CAN匯流排控制器，其實不然，只不過它被稱作TWAI，two-wire automotive interface。這也是ESP32可以用來控制大疆M3508、M2006等電機的根本原因。由於官方放出的資料很少，所以不被大家所熟知。

ESP32的CAN控制器在功能上比STM32略遜一籌，同時技術披露較少，其硬體設計引數基本都是未知的。但從另一方面說，整體配置使用比STM32更簡單一些的，特別是結合實時系統提供的一些元件，不需要過多的考慮中斷等問題。

最大區別在於，STM32有三組FIFO和靈活分配的filter，ESP32則採用收發buffer，控制器硬體將接受到的訊息放入buffer中，軟體驅動再把buffer中的報文處理過後放入queue，使用者應用讀取queue獲取報文，傳送同理。

反饋的獲取

ESP32沒有提供中斷回撥函式介面。意味著STM32上使用接收中斷來更新電機反饋的方法是行不通的，為保證反饋量的實時性，有以下三種方法可以選擇：

使用優先順序合適的任務進行輪詢
利用定時器中斷回撥進行輪詢
利用TWAI控制器的alert查詢阻塞讀取

由於我使用的FreeRTOS的tick為10ms，而大疆C620電調的傳送速率預設為1KHz，所以我使用了第一個方法來獲取電機反饋資料。建立一個從queue中讀取報文的任務，不斷阻塞查詢queue，計算更新反饋資料。

藍芽BLE

ESP32的最大亮點就是支援WiFi、藍芽協議棧，使用藍芽代替串列埠的應用場景無需多言。其中低功耗藍芽BLE非常合適少量文字資料的傳送。下面簡要介紹幾個藍芽BLE概念。

GAP

GAP定義了裝置的廣播行為，例如手機可以掃描到很多藍芽BLE裝置便是靠GAP。GAP把裝置分成兩種：中心裝置（Central）、外圍裝置（Peripheral），外圍裝置對外不斷廣播，中心裝置掃描、接收廣播。發現後進而建立連線，再利用下文的GATT協議進行資料傳輸。

舉例來說，我們的手機往往扮演中心裝置的角色，而智慧手環、智慧家居、藍芽耳機、電動牙刷等裝置則是外圍裝置。

GATT

利用GAP發現並連線相應裝置後，就可以開始傳輸資料了。藍芽BLE的資料傳輸建立在GATT協議上，它定義了BLE裝置之間如何傳輸資料。GATT把裝置分為Client和Server，其中命令與請求由Client主動發起，Server被動接受。

請注意：GATT的Client、Server身份與GAP的中心、外圍裝置沒有任何關係，它們可以任意搭配，甚至可以既是Server又是Client。

參考：Getting Started with Bluetooth Low Energy：https://www.oreilly.com/library/view/getting-started-with/9781491900550/ch04.html

在本例中，執行著GATT Server的ESP32在建立連線前主動對外廣播，充當外圍裝置。手機作為GATT Client，可以主動發起資料傳輸。

下面是典型的GATT Server的資料層級結構圖，服務端上可以同時提供多個Service讓客戶端選擇，每個Service內可以有多個Characteristic，其中就儲存著資料的內容和描述。客戶端請求的時候就可以單獨請求某個Service裡的某個Characteristic包含的資料。

舉例說明，某款智慧手環作為GATT Server，定義了電量和運動兩個Service。電量服務內有一個Characteristic儲存著電池電量百分比，手機請求它即可獲得手環電量。運動Service內有步數、消耗卡路里、睡眠時間等Characteristic，手機可以在需要的時候分別請求這些資料。

由於藍芽協議內容較多，這裡暫不展開，後面有機會可以進一步深入討論。

ESP32 API

為了使用BLE，首先要把藍芽外設驅動、硬體初始化，按照之前說的，為了建立連線我們要初始化GAP，為了傳輸資料要初始化GATT。具體表現為要為GAP、GATT註冊處理事件的回撥函式。

	ret = esp_ble_gatts_register_callback(gatts_event_handler);
	//錯誤處理
    ret = esp_ble_gap_register_callback(gap_event_handler);
	//錯誤處理
    ret = esp_ble_gatts_app_register(PROFILE_A_APP_ID);
	//錯誤處理

這些回撥函式使用switch語句判斷由底層驅動傳遞上來的事件編號，並給出處理步驟，我們對其中的讀寫事件處理進行修改，使其符合我們的資料傳輸需求。

結合前面完成的TWAI驅動、移植的PID程式，電機控制程式基本完成。

實際上手

使用微信上的BLE除錯小程式或者Nordic Connect軟體都可以，後者較為專業簡潔，但兩者功能上差別不大。

向圖中的Characteristic傳送速度目標值，會觸發ESP_GATTS_WRITE_EVT事件，在處理中加入解析並向傳送裝置返回一個notify告知寫入成功：

char data[30];
memcpy(data,param->write.value,param->write.len);
data[param->write.len]=0;
moto_pid.target=atof(data);
printf("resetting target:%.2f\n",moto_pid.target);
sprintf(data,"SET TARGET:%.2f",moto_pid.target);
if (a_property & ESP_GATT_CHAR_PROP_BIT_NOTIFY){//傳送notice
    esp_ble_gatts_send_indicate(gatts_if, param->write.conn_id,
    gl_profile_tab[PROFILE_A_APP_ID].char_handle,
    strlen(data),(unsigned char *)data, false);}

當按下左邊的獲取按鈕時，會觸發ESP_GATTS_READ_EVT事件，使用response讓Client獲得圖中的速度值：

char spd[20];
sprintf(spd,"speed:%hd",moto_chassis->speed_rpm);
rsp.attr_value.len = strlen(spd);
memcpy(rsp.attr_value.value,spd,rsp.attr_value.len);
esp_ble_gatts_send_response(gatts_if, param->read.conn_id, 
                            param->read.trans_id,
                            ESP_GATT_OK, &rsp);