蓝牙开发零门槛之六：蓝牙遥控车

INGChips 为客户提供易用的 SDK，帮助客户便捷、高效地开发蓝牙产品。本文介绍如何通过 INGChips SDK 开发蓝牙遥控车和遥控手柄。

在设计小车之前我们先简单搭建一下系统的框架，如图我们采用两个 ING918xx 分别作为小车主体和遥控器。遥控器（Central）通过 ADC 采集摇杆数据，并通过 BLE 将组包后数据指令传递给小车主体，小车主体通过两路 PWM 分别控制转向轮（180° Servo）和驱动轮（DC Motor），并由两路 GPIO 控制驱动轮的转动方向及停止。

蓝牙遥控小车

添加一个Customize Service

在创建项目之前，点击 ingWizard 上边栏中的 Customize Service 按钮，打开 Manage Customize Service：

点击 Add Service 创建一个新的自定义服务，将 Name 填写为 Car Control，Type 填写为 com.ingchips.service.car_control，点击 Generate 随机生成服务 UUID 或者按照参照格式自行填写即可。

需要添加一个特征，点击Characteristics右侧的 Add 按钮，将 Type 改为com.ingchips.Charateristc.input，UUID 的生成的方法与上述方法一致。

点击 OK 按钮返回至特征创建的界面，勾选 writeWithoutResponse 和 dynamic 属性，至此，自定义服务创建完毕。我们可以新建项目了！

设置广播数据

蓝牙小车的广播数据包含 0x01 - «Flags» 和 0x07 - «Complete List of 128-bit Service Class UUID» 两项：

Flags

值固定为 0x06，也即置位两个bit，LE General Discoverable Mode & BR/EDR Not Supported。用广播数据编辑器添加点击 0x01 - «Flags»，勾选 LE General Discoverable Mode 和 BR/EDR Not Supported。
Complete List of 128-bit Service Class UUID

勾选 Edit Raw Data，然后点击0x07 - «Complete List of 128-bit Service Class UUID»，勾选自定义的Car Control，点击 Apply 即可在右侧边栏看到输入的 UUID，最后点击 OK 保存。

建立GATT配置文件

返回 peripheral Setup 页面，单击 Setup ATT database . . . 打开 GATT 配置编辑器。添加两个服务，分别是 SIG Service 中的 General Access(0x1800) 和自定义的 Car Control。

首先，删除 General Access Service 中除了 Device Name of General Access 特征之外的所有特征。接下来，编辑特性值 Device Name of General Access：右键单击特征，选择 Edit String Value . . . 菜单，并设置值为 bleremotectrlcar;

添加 Customize Service 中的服务，需要在 Add Service 按钮的下拉菜单中选择 Customize Service，并添加 “Car Control”，该服务的特征值我们不需要做修改，点击 OK 保存配置。

然后一路 Next，我们的项目就算是创建完成了。

代码编写

项目创建完成后，在 IDE 中打开 profile.c，有 ingWizard 自动生成处理函数。

添加基本服务代码

打开项目，在 profile.c 文件中我们分别创建连接句柄 handle_send 和信号量 notify_enable:

static hci_con_handle_t handle_send = 0;
static uint8_t notify_enable = 0;

void send_data()
{
    uint16_t len = att_server_get_mtu(handle_send) - 3;
    if (0 = notify_enable)
        return;

    while (att_Server_can_send_packet_now(handle_send))
        att_server_notify(handle_send, HANDL_GENERIC_OUTPUT,
                                      (uint8_t *)0x4000, len);
    att_server_request_can_send_now_event(handle_send);
}

接着找到 user_packet_handler 函数，我们能看到一个名为HCI_SUBEVENT_LE_ENHANCED_CONNECTION_COMPLETE的连接事件，在每次建立连接完毕之后就会触发该事件：

case HCI_EVENT_LE_META:
    switch (hci_event_le_meta_get_subevent_code(packet))
    {
        case HCI_SUBEVENT_LE_ENHANCED_CONNECTION_COMPLETE:
            att_set_db(decode_hci_le_meta_event(packet,
                        le_meta_event_enh_create_conn_complete_t)->handle,
                        profile_data);
            break;
        default:
            break;
    }
    break;

在该事件的数据包中，我们可以获取到 Central 设备发送的连接请求数据包，通过解析后可以获得其对应的连接间隔以及发送窗口，我们创建 hint_ce_len 函数，在函数内部我们将窗口大小的值通过 ll_hint_on_ce_len 上报给链路层，方便其做任务调度。

static void hint_ce_len(uint16_t interval)
{
    uint16_t ce_len = interval << 1;
    if(ce_len > 20)
        ll_hint_on_ce_len(0, ce_len - 15, ce_len - 15);
}

因此我们将HCI_SUBEVENT_LE_ENHANCED_CONNECTION_COMPLETE事件中的代码修改为：

case HCI_SUBBEVENT_LE_ENHANCED_CONNECTION_COMPLETE:
    {
        const le_meta_event_enh_create_conn_complete_t *cmpl =
            decode_hci_le_meta_event(packet, le_meta_event_enh_create_conn_complete_t)
        handle_send = cmpl->handle;
        hint_ce_len(cmpl->interval);
        att_set_db(handle_send, profile_data);
    }
    break;

连接建立完毕后，我们还需要获取并检查连接参数，故添加一个名为 HCI_SUBEVENT_LE_CONNECTION_UPDATE_COMPLETE 的事件。

驱动电机控制

车体的驱动采用的是左右两个直流减速电机，同时我们采用这俩电机对应的驱动器模块 TB6612FNG 对电机进行控制。通过给驱动器模块输入大于 10KHz 的 PWM 波驱动电机转动，通过 A(B)IN1、A(B)IN2 两个引脚来控制驱动轮前进、停止、后退。让我们先来配置一下 PWM：

PWM配置

首先，我们需要宏定义PWM输出引脚、信号频率两个常量：

#define DRIVE_FREQ    10000 //10KHz
#define PIN_DRIVE     7     //GPIO_7

下车的驱动我们采取的是固定频率的 PWM 波，所以我们定义函数 set_freq0_drive 如下所示：

void set_freq0_drive(uint8_t channel_index, uint16_t freq)
{
    uint32_t pera = PWM_CLOCK_FREQ / freq;
    PWM_HaltCtrlEnable(channel_index, 1);
    PWM_Enable(channel_index, 0);
    if (freq > 0)
    {
        PWM_SetPeraThreshold(channel_index, pera);
#if (INGCHIPS_FAMILY == INGCHIPS_FAMILY_918)
        PWM_SetMultiDutyCycleCtrl(channel_index, 0);
#endif
        PWM_SetHighThreshold(channel_index, 0, pera); //DutyCycle is 50%
        PWM_SetMode(channel_index, PWM_WORK_MODE_UP_WITHOUT_DIED_ZONE);
        PWM_SetMask(channel_index, 0, 0);
        PWM_Enable(channel_index, 1);
        PWM_HaltCtrlEnable(channel_index, 0);
    }
}

直流电机的速度通常与 PWM 波的占空比成正相关，所以，如果需要调整速度，只需要修改 PWM 的占空比。通过上述的代码，我们可以产生频率为 freq，占空比为 50% 的 PWM波，通过调节函数 PWM_SetHighThreshold 的第三个参数可控制占空比，即伪代码 PWM_SetHighThreshold(channel_index, 0, freq * (1 - 占空比))。

驱动轮方向控制

关于 A(B)IN1、A(B)IN2 引脚输入与驱动状态关系的真值表如下所示

A(B)IN1	A(B)IN2	status
0	0	停止
1	0	顺时针
0	1	逆时针

所以我们采用开发板上的两路 GPIO 分别作为 A(B)IN1、A(B)IN2 的输入。参考 SDK 中的其他例程对 GPIO 完成初始化相关设置之后，我们通过 GIO_WriteValue 函数将所需的值写入对应的 GPIO 即可，例如：

#define PIN_AIN1_BIN2 GIO_GPIO_12
#define PIN_AIN2_BIN1 GIO_GPIO_13

GIO_WriteValue(PIN_AIN1_BIN2, 1);
GIO_WiterValue(PIN_AIN2_BIN1, 0);

方向轮控制

车端直接的方向控制所使用的是180°数字舵机，舵机转动的范围在 {-90°, -45°, 0°, 45°, 90°} ，最终小车转向轮能够转动角度为舵机转动角度值的 $1/2$。通过改变输入的PWM波形周期，从而达到控制角度的效果，真值表如下所示。

Pulse Width(ms)	Steering Corner	Notes
0.5	-90°
1.0	-45°
1.5	± 0°
2.0	+45°
2.5	+90°

通过前面的分析，我们只需要给开发板的 PWM 配置参数，使其产生合适的波形，来驱动180°舵机即可。所以接下来我们来配置一下PWM。

PWM设置

首先，我们同样需要宏定义PWM输出引脚、信号频率两个常量：

#define STEER_FREQ  50 //20ms
#define PIN_STEER   8  //GPIO_8

接下来我们就可以参照 SDK 中有关 PWM 的例程,编写一个能产生固定频率的 PWM 波生成函数 set_freq0_steer,具体的代码编写我们基本可以参照前面的 set_freq0_drive。但是由于舵机有五个状态值，所以我们需要将函数修改为set_freq0_steer(uint8_t channel_index, uint16_t freq, uint8_t steer_status)，通过参数 steer_status 将我们从遥控器发送的数据包中解算出的角度值传递给PWM波生成函数。

蓝牙小车遥控器

在ingWizard里创建项目，在Role of Your Device页面里将设备角色设定为 Central，然后一路 Next 下去，对应的项目旧创建好了。

在小车（Peripheral）端我们已经配置好了广播事件等的配置，所以遥控器（Central）端需要首先配置好扫描、连接等事件。

###配置扫描、连接事件

添加自定义UUID

const uint8_t UUID_SERV_CAR_CTRL[]    = {0x58,0xb6,0x31,0x20,0xf1,0xd3,0x46,0xf7,0xb8,0xa5,0x61,0x54,0x9c,0xbb,0xdf,0x72};

添加服务特征 Command Input 的UUID

const uint8_t UUID_CHAR_CMD_IN[]   = {0x0b,0x33,0xc8,0xb4,0x0f,0xfc,0x49,0x17,0x83,0xd4,0xfb,0x67,0x72,0x60,0x58,0xdf};

打开项目，在 profile.c 里找到 user_packet_handler，我们可以看到一个名为 BTSTACK_EVENT_STATE 事件，在该事件中我们可以处理有关蓝牙协议栈的一些事件,这部分的代码在项目创建后自动生成，所以我们不需要进行修改：

case BTSTACK_EVENT_STATE:
      if (btstack_event_state_get_state(packet) != HCI_STATE_WORKING)
          break;
      . . .
      gap_set_ext_scan_enable(1, 0, 0, 0);
      break;

紧接着我们可以看到一个名为 HCI_EVENT_LE_META 的事件，我们找到其中的 HCI_SUBEVENT_LE_EXTENDED_ADVERTISING_REPORT 事件，并将代码修改为如下所示：

case HCI_SUBEVENT_LE_EXTENDED_ADVERTISING_REPORT:
    {
        const le_ext_adv_report_t *report = decode_hci_le_meta_event(packet,e_meta_event_adv_reprot_t)->reports;

        if (ad_data_contains_uuid128(report->data_len, report->data, UUID_TPT))
        {
            gap_set_ext_scan_enable(0, 0, 0 ,0);
            reverse_bd_addr(report->address, peer_addr);

            if (report->evt_type & HCI_EXT_ADV_PROP_USE_LEGACY)
                phy_condigs[0].phy = PHY_1M;
            else
                phy_configs[0].phy = (phy_type_t)(reports->s_phy != 0 ? report-s_phy :
                                                                            report->p_phy);
            gap_ext_create_connection(INITIATING_ADVERTISER_FROM_PARAM,
                                      BD_ADDR_TYPE_LE_RANDOM,
                                      report->addr_type,
                                      peer_addr,
                                      sizeod(phy_configs) / sizeof(phy_configs[0])
                                      phy_configs);
        }
    }

连接建立完毕之后，我们需要通过匹配UUID去发现相关服务，所以我们需要创建 HCI_SUBEVENT_LE_ENHANCE_CONNECTION_COMPLETE 事件，并添加相关代码：

const le_meta_event_enh_create_conn_complete_t *conn_complete
                = decode_hci_le_meta_event(packet, le_meta_event_enh_create_conn_complete_t);
if (conn_complete->status)
    platform_reset();
slave.conn_handle = conn_complete->handle;
//设置PHY层参数
gap_set_phy(slave.conn_handle, 0, PHY_2M_BIT, PHY_2M_BIT, HOST_NO_PREFERRED_CODING);
//发现给定UUID的特定主服务
//对于每个找到的服务，将生成一个类型设置GATT_EVENT_SERVICE_QUERY_RESULT的le_service_event_t
//类型设置为GATT_EVENT_QUERY_COMPLETE的gatt_complete_event_t标志着发现的结束
gatt_client_discover_primary_services_by_uuid128(service_discovery_callback, conn_complete->handle, UUID_SERV_CAR_CTRL);

添加服务发现回调函数

void service_discovery_callback(uint8_t packet_type, uint16_t _, const uint8_t *packet, uint16_t size)
{
    switch (packet[0])
    {
        //发现服务
    case GATT_EVENT_SERVICE_QUERY_RESULT:
        . . .
        break;
        //发现结束
    case GATT_EVENT_QUERY_COMPLETE:
        . . .
        break;
    }
}

添加特征发现回调函数，并通过UUID_CHAR_CMD_IN发现服务特征

void characteristic_discovery_callback(uint8_t packet_type, uint16_t _, const uint8_t *packet, uint16_t size)
{
    switch (packet[0])
    {
        //发现特征
    case GATT_EVENT_CHARACTERISTIC_QUERY_RESULT:
        {
            . . .
                //识别服务的UUID
            if (memcmp(result->characteristic.uuid128, UUID_CHAR_CMD_IN, sizeof(UUID_CHAR_CMD_IN)) == 0)
            {
                slave.input_char = result->characteristic;
                LOG_INFO("input handle: %d", slave.input_char.value_handle);
            }
        }
        break;
        //发现结束
    case GATT_EVENT_QUERY_COMPLETE:
        . . .
        break;
    }
}

特征描述符发现回调函数

void descriptor_discovery_callback(uint8_t packet_type, uint16_t _, const uint8_t *packet, uint16_t size)
{
    switch (packet[0])
    {
        //发现描述符
    case GATT_EVENT_ALL_CHARACTERISTIC_DESCRIPTORS_QUERY_RESULT:
        . . .
        break;
        //发现结束
    case GATT_EVENT_QUERY_COMPLETE:
        . . .
        break;
    }
}

但是考虑到连接可能不会一次性成功，每次连接失败后会触发HCI_EVENT_DISCONNECTION_COMPLETE事件，所以我们需要在该事件中添加如下代码，重新开启扫描：

reset_info();     //Initialize related parameters
gap_set_ext_scan_enable(1, 0, 0, 0);  //start continuous scanning

摇杆控制

遥控器通过双轴摇杆的一系列动作引起输出口 URX、URY 的电平值的变化，所以我们需要利用开发板上的两路 AD(AD1 AD4)对 URX、URY 的值进行实时采集。

数据采集

ADC的配置我们可以参照peripheral Battery例程，并使用其 profile.c 文件中的 read_adc(uint8_t channel)函数进行数据采集。为了能够近乎实时地获取，我们需要创建 task，并在 task 内部的 for 循环调用 read_adc，因此我们在 profile.c 的 setup_profile 函数中利用 xTaskCreate 函数创建 task：

    xTaskCreate(XYcordinates_adc_task,
               "x",
               configMINIMAL_STACK_SIZE,
               NULL,
               (configMAX_PRIORITIES - 1),
               NULL);

为了提高数据的准确性，我们可以在任务处理函数中添加一个简单的均值滤波器，修改后的任务处理函数代码如下所示：

// Rocker variable collection task
static void XYcordinates_adc_task(void *pdata)
{
    uint16_t voltage;
    for (;;)
    {
        filter_buffer_update(mean_filter_x_buffer, mean_filter_y_buffer,
                                read_adc(RK_X_CHANNEL), read_rocker_adc(RK_Y_CHANNEL), MEAN_FILTER_LEN, mean_filter_pos);
        vTaskDelay(100);
    }
}

数据发送

关于数据发送就比较简单了，我们按照自己的需求进行组帧，并通过 gatt_client_write_value_of_characteristic_without_response 函数进行发送。

注意: 本教程中只提供部分参考代码，实际开发可根据需求自行调整修改。开发板上还有三轴加速度计，感兴趣的朋友们还可以尝试着给遥控小车添加一个平衡功能。