Crazyfile韌體原始碼結構

最近在學習Crazyfile，學習中不斷獲取了新的知識，不敢獨享，希望在分享中提升自己同時幫助其它想學習飛控程式的人。

1、Crazyflie 2.0 系統結構

Crazyflie 2.0是架構在兩個微控制器之上的包括一個主控晶片stm32f405以及一個射頻及電源管理晶片NRF51:

1、NRF51採用Cortex-M0處理無線電通訊和電源管理，其功能包括:
- 1、開/關邏輯
- 2、控制電力系統的其餘部分(STM32、感測器和擴充套件板)
- 3、電池充電管理和電壓測量
- 4、管理廣播bootloader
- 5、廣播和BLE溝通
- 6、檢測和檢查安裝擴充套件板

2、STM32F405 [email protected],處理飛行控制和其他所有的繁重的工作:
- 1、感測器的讀取和運動控制
- 2、飛行控制
- 3、遙測(包括電池電壓)
- 4、額外的使用者開發

下圖旨在解釋它們之間如何一起工作。

nRF51822

nRF51兩個主要的任務是處理無線電通訊和電源管理。它作為一個無線電橋(原始資料包STM)通訊。

Crazyflie 2.0使用通訊方式包括CRTP和BLE,但硬體還支援其他協議如ANT。CRTP模式相容Crazyradio USB集線器,它提供了一個與低延遲資料鏈路2兆位元/秒。試驗表明,延遲之間的無線電連線是360和1.26毫秒,在2 mbps沒有重試和分別為1和32個位元組的資料包大小。最低可實現的延遲與藍芽7.5毫秒,但當前實現20毫秒左右。與Crazyradio CRTP連結的主要好處是它容易實現在任何支援USB主機的系統,使其成為Crazyflie開發和實驗的首選。BLE是主要的實現從一個移動裝置控制Crazyflie 2.0。

nRF51晶片的另一個特性是,它旨在從鈕釦電池執行,這意味著它非常適合低能量的操作。所以NRF51還負責電源管理。它處理開關邏輯這意味著NRF51總上電狀態,不同的操作可能按開/關按鈕時(按一個長時間。這是用於啟動載入程式)。也可以由外部源喚醒。

STM32F405

STM32執行主要的韌體儘管它是被NRF51喚醒。它實現了飛行控制,所有通訊演算法。擴充套件板口主要是連線到STM32的，所以一些擴充套件板的驅動都是在STM32裡面的

STM32F405有196 kb的RAM,應該足以滿足任何人的需求。它允許更多的計算量演算法,例如融合感測器和GPS資料。

微控制器內部通訊

兩個cpu之間的交往是由syslink處理協議。它是一個簡單的基於分組協議我們做了一個可擴充套件的通訊方案。
Syslink提供訊息攜帶所需的所有cpu之間的通訊。STM32作為主機NRF51作為從機。我們試圖儘可能保持NRF51簡單並且將複雜演算法執行在STM32內。

2、Crazyflie 2.0 韌體分析

首先從github上下載韌體，因為只是為了分析程式碼所以可以選擇直接clone的方式下載，下載後開啟韌體資料夾，然後開啟“src”目錄，這裡存放了Crazyfile的原始碼，然後對原始碼的各個資料夾的內容進行分析如下：

總體來看Crazyfile的檔案結構很是清晰明瞭，涇渭分明，典型的嵌入式軟體設計流程。我們不妨從底層分析到最上層。

最底層的程式碼應該就是硬體驅動層，這部分程式碼儲存在“src/drivers”目錄下，開啟該目錄可以看到兩個資料夾“src”和“interface”資料夾，分別儲存了驅動的c檔案和h標頭檔案，開啟src資料夾便可以看到所有的驅動檔案，當然這些都是c檔案，在“interface”資料夾下存放的都是標頭檔案，檔名一一對應，這些驅動檔案大都是和最底層的硬體打交道，當然這些驅動大都是基於ST標準外設庫，就像我們平時裸機開發stm32裡呼叫庫函式實現邏輯控制的方式，這些驅動的檔名對應相應的硬體外設，如diskio.c對應diskio驅動，“MPU6050.c”對應mpu6050驅動。
當硬體驅動寫好之後需要抽象一個硬體層供上層應用呼叫以保證我們的上層應用在硬體變動後依然能夠執行，這裡有些面向物件的思路。而這些硬體抽象層儲存在“src/hal”資料夾下，從標題上看這些硬體抽象層又進一步對底層驅動做了歸類，如我們的感測器被抽象成 sensors_bosch.c，可以看到 sensors_bosch.c裡重新定義了讀取感測器資料的新函式，又建立了感測器相關係統任務，系統任務直接呼叫新定義的函式，這樣當底層驅動有變動時系統任務依然能夠執行，我們只需要把底層驅動的介面與硬體抽象層對號入座即可。

看完硬體抽象層就該是上層應用了，其實我們呼叫的硬體抽象層都是為了上層應用所服務的，如我們通過硬體抽象層讀取感測器資料來進行資料融合姿態結算、讀取遙控器資料來判斷使用者輸入的指令。對於Crazyfile，其上層一些應用儲存在src/modules”目錄下，這裡包含了所有無人機上層的演算法，也是以後要學的核心內容。

第一篇部落格主要對工程的各個資料夾有所瞭解，這樣對學習原始碼有很大的幫助，至少知道程式碼應該在哪找，其中某個資料夾存放的函式有個大致瞭解。以後大致的學習方向是先分析Crazyfile的底層驅動及硬體抽象層。學習人家對程式碼結構的組織，反思自己在組織一個程式碼時的陋習。從而整體提升自己對工程的組織能力。然後再學習那些燒腦的演算法。最後做出一套屬於自己的無人機系統。