一、实验目的

1．掌握嵌入式裸机开发：深入理解IMX6ULL芯片的GPIO、时钟、中断、定时器（PWM输出、输入捕获）等外设配置方法；掌握UART、I2C、SPI通信协议；实现ADC数据采集
2．实现循迹核心功能：完成电机驱动控制、灰度传感器数据处理和循迹算法设计
3．多模块协同开发：实现陀螺仪姿态检测、LCD触屏控制与小车运动的联动
4．提升调试能力：通过示波器、万用表等工具解决嵌入式系统开发中的实际问题

二、实验环境

1．硬件配置

(1)主控：IMX6ULL Cortex-A7开发板
(2)驱动模块：TB6612双路电机驱动
(3)传感器：8路灰度传感器、MPU6050陀螺仪
(4)显示：3.5寸LCD电阻触摸屏
(5)底盘：双电机四轮小车底盘
(6)电源：12V锂电池组

2．软件环境

(1)开发环境：Ubuntu 20.04 + VSCode
(2)工具链：arm-linux-gnueabihf交叉编译工具链
(3)调试工具：示波器、万用表、串口调试助手

3．测试环境

(1)标准黑白循迹赛道（含直线、90°弯道）

三、实验内容

1．IMX6ULL裸机环境搭建

(1)配置系统时钟和外设时钟
(2)初始化GPIO、定时器（PWM输出）、ADC、I2C等外设

2．电机驱动与控制

(1)TB6612 电机驱动电路设计采用TB6612双H桥芯片驱动左右电机，IMX6ULL的PWM引脚接芯片 PWMA/PWMB 端，GPIO 引脚接 AIN1/AIN2、BIN1/BIN2 方向控制端；电源端并联滤波电容，输出端串联续流二极管，增设过流保护，兼容 3.3V 电平无需转换。
(2)双路 PWM 速度控制初始化定时器为 20kHz PWM 模式，左右电机独立通道控制。按赛道状态分级调速：直道占空比 80%，转向前置降为 30%，转向中 10%；速度切换采用线性渐变，避免抖动，保障行驶稳定性。
(3)电机方向控制逻辑定义电平组合对应转向：前进（双电机正转）、后退（双电机反转）、差速转向（单侧降速）、停止（刹车）。方向切换前先关 PWM 延时 50ms，适配方形赛道直角转向需求，防止芯片损坏。

3．灰度循迹系统

本部分聚焦方形赛道直道行驶的核心感知环节，基于自带模数转换功能的8路灰度传感器，直接读取高低电平信号实现赛道轨迹识别，结合循迹算法完成直道稳定行驶，同时针对全白/全黑特殊状态设计专属处理逻辑，为后续直角转向提供可靠的状态触发依据。

(1)8 路 ADC 传感器数据采集

①　采集初始化：配置IMX6ULL的GPIO引脚为输入模式，将8路灰度传感器的数字量输出引脚分别接入对应 GPIO 口，关闭引脚上拉 / 下拉电阻，匹配传感器电平标准（3.3V）；
②　数据读取：采用轮询方式依次读取8路GPIO引脚电平状态，每10ms采集一次，传感器输出低电平0代表检测到 “黑色轨迹”，高电平1代表检测到“白色背景”，直接将电平值存储至 8 位数字量数组；
③　异常过滤：若某一路引脚电平连续 5 帧固定为 0 或 1（无变化），判定为传感器断路 / 短路，标记该通道异常并采用前一帧有效值替代，避免单通道故障影响整体循迹。

(2)二值化处理和循迹算法

①　二值化简化处理：因传感器已直接输出数字量电平（黑 = 0、白 = 1），无需额外 ADC 采样和阈值计算，直接沿用传感器输出的 0/1 值作为二值化结果，输出 8 位二值化数组；
②　循迹算法：采用 “加权平均法” 计算偏差值，公式为：偏差值 =Σ(通道编号 × 通道电平值)/Σ(通道电平值)；以 4 号通道为中心，偏差值 > 4 则判定小车偏右，偏差值 < 4 则判定偏左；
③　纠偏控制：根据偏差值输出 PWM 占空比调整转向电机，偏差值与转向修正量呈线性关系（偏差越大，转向修正幅度越大），保证小车始终沿黑色轨迹居中行驶。

(3)全白 / 全黑状态处理

①　全白状态判定：8 路电平值全部为 1 且持续 50ms，判定为 “全白”，立即触发电机停止指令，作为直角转向的前置触发条件；若持续时间 < 50ms（光线干扰），判定为误触发，保持当前循迹逻辑并增大纠偏幅度；
②　全黑状态判定：8 路电平值全部为 0 且持续 30ms，判定为 “全黑”（偏离赛道），立即降低电机速度 50%，同时输出最大幅度的反向转向修正，尝试回归赛道；若持续 2s 仍未恢复，触发紧急停止；
③　状态恢复：全白/全黑状态解除后（电平数组恢复正常），先以低速（正常速度的 30%）行驶 500ms，待循迹偏差稳定后恢复正常速度和纠偏逻辑。

4．陀螺仪姿态检测

(1)JY62 通过串口通信配置 IMX6ULL 串口波特率为 115200bps，与 JY62 陀螺仪串口双向通信；校验通信数据帧格式，确保指令发送、数据接收时序匹配，通信异常时触发报警。
(2)原始数据读取与滤波处理串口实时读取 JY62 输出的角速度、加速度原始数据；采用滑动平均滤波处理 5 帧数据，滤除高频噪声，降低数据漂移误差。
(3)角度数据用于小车姿态矫正解算滤波后数据得到横滚角、偏航角，直道时矫正车身水平（倾角超 2° 调整转向）；90° 转向时闭环控制偏航角，误差≤1°；倾角超阈值时触发电机停止保护。

5．LCD触屏交互

(1)LCD 控制器初始化与显示驱动初始化 LCD 控制器，配置显示分辨率、像素格式，编写字符 / 图形显示驱动函数，实现数据实时刷新显示。
(2)触摸屏坐标读取与校准读取触摸屏 AD 转换值，通过五点校准法修正坐标偏差，建立物理坐标与显示坐标的映射关系，确保触控定位精准。
(3)交互界面设计与功能实现设计简洁界面：显示循迹状态、陀螺仪角度、触摸坐标；设置触控按钮，实现启停、等功能。

6．针对赛道的逻辑状态编写

本部分针对方形赛道“直道+90°直角弯道”的核心特征，基于状态机实现“循迹 -停止-精准转向-再循迹”的闭环控制，整合灰度传感器、陀螺仪数据完成方形赛道的自主行驶，是整个小车系统从“传感器数据采集”到“赛道自主决策”的核心落地环节。

(1)方形赛道核心状态定义与切换规则

①　状态 1（循迹行驶）：小车的默认初始状态，基于 8 路灰度传感器数据执行直道循迹逻辑，保持沿方形赛道直边行驶；
②　状态 2（全白停止）：作为转向准备状态，仅在灰度传感器识别到 “全白”（直角弯道前的预设标记）且数据稳定 50ms 后触发，触发后立即停止电机输出，稳定车身；
③　状态 3（90° 闭环转向）：由状态 2 触发，停止状态保持 200ms 后自动进入，基于陀螺仪数据执行 90° 直角打角，完成后退出；

(2)90°直角转向的陀螺仪闭环控制逻辑

核心目标：利用陀螺仪的角度反馈实现 90°转向的精准闭环控制，保证直角转向的误差≤1°。
①　转向前校准：进入状态3前，先读取陀螺仪当前角度作为“转向基准值”，清零角度累计误差，避免初始偏移影响转向精度；
②　转向启动：输出固定占空比的 PWM 控制转向电机，驱动小车开始转向；
③　实时反馈：每 10ms 读取一次陀螺仪角度，计算当前角度与“基准值 + 90°”的偏差；

四、实验过程介绍

本次三轮循迹小车实验基于IMX6ULL核心板搭建硬件与软件逻辑，采用前轮牛角万向轮+后轮双310电机的三轮结构，搭载TB6612电机驱动、8路灰度传感器、六轴陀螺仪及LCD触摸屏。

图4-1 实验实现过程流程图

1．IO引脚配置

图4-2 引脚复用图
PWM使用的GPIO8和GPIO4引脚的复用，亮绿色标注
电机转向控制引脚GPIO1、UART3_CTS、SNVS_TAMPER5、SNVS_TAMPER8四个引脚，亮黄色标注
灰度循迹8个引脚GPIO2、UART3_TXD、UART2_RTS、UART2_TXD、SNVS_TAMPER0、SNVS_TAMPER2、SNVS_TAMPER4、SNVS_TAMPER7，蓝色标注
Led和蜂鸣器GPIO3、SNVS_TAMPER1，红色标记
串口UART4_TXD、UART4_RXD，暗绿色标记
不能使用的引脚GPIO0、JTAG_MOD、GPIO9，黑色标记

2．先让小车动起来

我们完成的是循迹三轮小车，前面使用了一个牛角轮（万向轮）的一个三轮结构。硬件我们使用的是轮趣科技家的车底板，310电机和荣洋电子家的TB6612电机驱动。

图4-3 底板图

图4-4 电机图

图4-5 电机驱动图
（1）步骤 1：查看IMX6ULL的PWM外设手册，配置定时器生成 PWM 波；
（2）步骤 2：通过 GPIO 控制电机驱动芯片（TB6612）的方向引脚；
（3）步骤 3：编写电机速度调节函数，通过修改 PWM 占空比控制转速。

3．灰度正确读取数值

灰度传感器使用的是感为的8路灰度传感器，带红色转接板，可以将adc模拟量转化为8路gpio引脚电平，减少cpu计算。

图4-6 灰度模块图
（1）步骤 1：连接灰度传感器到IMX6ULL的8个GPIO引脚，配置采集通道；
（2）步骤 2：编写传感器数据读取函数，区分 “黑线” 与 “白线” 的电压阈值；

4．灰度读值控制小车实现循迹

根据多组传感器的检测结果，编写转向控制逻辑（如 “左偏则右调”）。
（1）直行逻辑：当中间区域的灰度传感器检测到黑线、两侧传感器检测到白线时，判定小车沿轨迹直行，控制左右电机保持相同转速，维持当前行驶方向。
（2）左偏矫正逻辑：当左侧区域的灰度传感器检测到黑线、中间 / 右侧为白线时，判定小车轨迹左偏，采用差速调节：降低左电机转速、提高右电机转速，使小车向右微调方向，回归轨迹。
（3）右偏矫正逻辑：当右侧区域的灰度传感器检测到黑线、中间 / 左侧为白线时，判定小车轨迹右偏，同样采用差速调节：降低右电机转速、提高左电机转速，使小车向左微调方向，回归轨迹。
（4）异常消抖逻辑：当所有传感器连续检测到全白（无黑线）时，加入多次检测的消抖判定，避免因传感器误判导致小车失控。

5．小车状态机逻辑的编写

本环节采用 “分状态定义+条件触发切换”的思路，将小车运行划分为3个核心状态，通过状态标志位实现有序、可控的逻辑跳转，具体设计如下：
（1）状态 1：循迹状态：执行步骤 4 中的灰度循迹逻辑，控制小车沿轨迹行驶。
切换条件：当传感器连续检测到全白（消抖后），则切换至 “全白停止状态”。
（2）状态 2：全白停止状态：控制电机紧急停转（消除惯性冲出的风险），并短暂延时稳定小车状态。切换条件：停止动作完成后，自动切换至 “转弯模式状态”，同时清零全白检测的计数。
（3）状态 3：转弯模式状态：执行差速转向动作（如右轮正转、左轮反转），完成大角度转向；转向后加入延时，稳定小车姿态，避免直接循迹时灰度传感器无法识别黑线。切换条件：转弯动作完成后，自动切换回 “循迹状态”，重新开始轨迹跟踪。

6．陀螺仪串口读取数值

使用优信电子的带卡尔曼滤波的六轴姿态传感器。

图4-7 jy62位姿传感器图
（1）步骤 1：通过UART接口对接陀螺仪模块，配置模块的采样频率；
（2）步骤 2：编写数据解析函数，获取角度（或角速度）原始数据；

7．LCD触屏控制小车开始停止状态

（1）步骤 1：配置IMX6ULL的LCD控制器，初始化触摸屏的输入读取；
（2）步骤 2：编写UI界面（如 “循迹设置开始” 按钮），实现触屏点击事件的识别；
（3）步骤 3：关联触屏操作与小车参数，比如点击 “加速” 按钮修改 PWM 占空比。

8．数据处理浮点运算

针对陀螺仪采集到的数据进行处理的时候，还有显示LCD数据的时候，因为不支持浮点运算，所以分成了整数+小数部分分开计算。

9．LCD显示灰度、陀螺仪数值、触屏坐标

在 LCD 界面分区域规划显示内容，无间断采集8路灰度传感器实时数值、滤波后的陀螺仪角度/角速度数据、触屏点击的 X/Y 坐标值；按固定频率刷新 LCD 显示内容，将三类数据直观展示在对应区域，便于实时监测小车运行状态与调试优化。

五、基本原理介绍（主要代码的展示和解释等，20分）；

1．代码概述

代码主要的逻辑部分就是在主循环和定时器1中断。
主循环的main函数里面是初始化以及绘制LCD按键区域，然后while循环里面就是执行读取陀螺仪的值在串口，LCD显示角度值，检测LCD是否按下开始按键，打印循迹的状态在LCD上面。
定时器1中断是设置的1ms执行一次，然后执行的是灰度的读取和小车运动状态的控制。

对于代码中所有的浮点运算，因为不支持浮点运算，所有都化成了整数部分和小数部分分开计算，再者是除法运算，采用 “乘法逆元” 或 “移位近似” 替代直接除法运算（避免除法指令的低效或兼容性问题）。将除法转换为整数乘法 + 移位操作，保证运算效率和精度。同时我们手动开启了IMX6ULL芯片的硬件浮点运算单元（FPU）和 NEON 协处理器。

/*
 * @description	: 使能I.MX6U的硬件NEON和FPU
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
 void imx6ul_hardfpu_enable(void)
{
	uint32_t cpacr;
	uint32_t fpexc;

	/* 使能NEON和FPU */
	cpacr = __get_CPACR();
	cpacr = (cpacr & ~(CPACR_ASEDIS_Msk | CPACR_D32DIS_Msk))
		   |  (3UL << CPACR_cp10_Pos) | (3UL << CPACR_cp11_Pos);
	__set_CPACR(cpacr);
	fpexc = __get_FPEXC();
	fpexc |= 0x40000000UL;	
	__set_FPEXC(fpexc);
}

2．首先是主函数的逻辑代码：

主函数就是一堆初始化函数，循环里面四个函数uart4_read_jy62_angle();read_finger_point();touch_button();print_data();

(1)陀螺仪串口读取的函数：uart4_read_jy62_angle()

陀螺仪我们使用的是jy62陀螺仪，这个陀螺仪的通信方式可以是串口也可以是I2C，我们选择了串口，通信解析数据过程如下：
数据是按照16进制方式发送的，每个数据分低字节和高字节依次传送，二者组合成一个有符号的short类型的数据。

图5-1 数据通信图
对于其中的数据，我们只需要角度数据，尤其注意传回数据的包头为0x55 0x53才是我们想要的数据，则通信协议如下：

图5-2 角度具体通信数据图
对于陀螺仪，如果不发初始指令，接收到的数据就会是乱码，当时也是被搞了一下，没看懂那个数据，后面发送初始指令过去后接收到的数据就正常了。还有就是波特率一定要设置和陀螺仪发送的波特率一样，不然收到的也会是乱码。

图5-3 串口模式命令图
调试时串口助手接收到的数据：

图5-4 串口收到数据解析图

陀螺仪数据读取加解析代码主要如下：

(2)读触摸屏代码read_finger_point()

(3)触摸判断代码touch_button()

(4)灰度数据打印代码print_data()

这里注释掉的延时函数很有意思啊，当时团队成员单写的触摸屏检测没问题，但是移植到工程里面就卡，就是这个延时函数造成的！！！吃一堑长一智

3．然后是定时器中断里面的逻辑代码：

(1)灰度读取函数代码sensor_r1=read_sensors();

①　灰度io口的复用和初始化

②　通过gpio_pinread函数读取引脚值，通过位操作，把八个引脚读到的电平放入一个data数据里面。

(2)小车循迹逻辑函数代码track();

①　定义状态和变量

②　主要track循迹函数

(3)电机转向控制

①　引脚复用和初始化

②　电机使能、电机a、电机b的转向配置

(4)电机转速控制

pwm3与此相同配置

(5)LCD显示浮点数代码

(6)其他简单初始化的代码

串口初始化、中断初始化、lcd初始化、触摸屏初始化。

六、实验结果展示和分析（有图有真相，20分）；

1．配置电机PWM波形图

正常PWM波形展示

图6-1 正常PWM输出波形图
不能使用的PWM引脚GPIO9复用配置出来的波形

图6-2 不正常引脚PWM输出波形图

2．上电屏幕初始化显示

图6-3 上电初始化显示LCD图

3．触摸开始按键后显示数据

图6-4 触摸按键变化LCD图

4．小车循迹图片

图6-5 小车循迹图

5．小车转角处理图片

图6-6 小车转角处理图

七、总结与心得体会（包含对本课程的意见或者建议等）（10分）

最初想完成这个小车是因为涉及了很多知识点，可以结合知识点都上手实操一下，比如说小车电机的pwm需要定时器的输出比较，灰度的采集需要定时器中断，普通GPIO引脚的复用功能，陀螺仪读取需要串口通信，同时结合触摸LCD屏做控制状态和数据显示。
从中遇到的一些有意思的困难：

①　定时器中断初始化：

在设置定时器中断的时候，最开始配好定时器中断但是并没有显示任何现象，所以放了个LED灯在中断里，发现LED不闪烁，以为是卡在中断里面了，然后在主循环里面放了个蜂鸣器却响，说明程序没有卡，是根本没执行中断，后面检查的时候，发现是因为中断的初始化和定时器的初始化顺序的问题，中断初始化要放在前面才能正常运行，而我不小心把定时器初始化放在了前面。

②　串口初始化配置：

UART4->UCR2 |= (1<<14) | (1<<5) | (1<<2) | (1<<1); （bit14: 1 忽略RTS引脚、bit8: 0 关闭奇偶校验、 bit6: 0 1位停止位、bit5: 1 8位数据位、 bit2: 1 打开发送、 bit1: 1 打开接收）

当时写漏了串口的UCR2寄存器配置，串口一直接收不到信息，补上后就能正常接收了。

③　引脚复用问题：

配置电机的pwm的时候，pwm1可以配置成功，但是pwm2不行，输出的电压会比pwm1小0.5v的样子，而且示波器观察波形并不标准，后续对照代码，发现代码没有问题，想着换一个引脚试试，结果换个引脚过后发现pwm正常输出，波形也正常。
灰度的引脚也是，有三个引脚配置出来读取电平并不正常，会自己跳变，换三个引脚过后发现可以使用了。

④　电机执行频率和灰度执行频率：

最开始电机执行放在主函数的while循环里面，灰度数据采样放在中断里500ms一次，但是发现效果并不好，最开始调整了灰度采样的频率，设置定时器1ms采集一次，发现效果有所改善，但是仍然不理想，把定时器频率配置更高过后发现仍然没有什么太大的变化，想着会不会是采样采到了数据但是无法及时控制电机。根据香农定理中“采样频率匹配控制响应频率”，把电机执行也放在中断里面紧跟灰度采样后面，灰度采集一次数据就执行一次电机后，发现效果非常好，控制非常迅速稳定。

⑤　对于陀螺仪角度闭环：

最开始团队准备使用板载的icm20608六轴传感器采集数据，但是数据采集只有加速度和角速度，如果将角速度转化为角度需要进一步积分处理，但是团队积分后，因为六轴传感器上电会有零飘积分后误差越积越大，所以团队使用陀螺仪jy62，用串口读取角度值，在最初接收数据时，发现数据是一堆乱码看不懂，后面才想到是没有发初始指令，发指令配置好波特率后，数据接收就正常了。

⑥　致命delay函数errow:

在中断里面请务必不要写delay函数，会卡住程序引发一些错误，最开始调试打印灰度值的时候写了一个delay忘记删掉，后面写LCD触摸屏读取的时候发现读取断续不灵敏，就是因为有个delay函数卡在那里了！！！