ArduPilot核心机制——定时器回调（Timer Callback）

一、定时器回调的核心作用

1. 实时任务执行：

   • 按固定频率（如400Hz、800Hz）周期性触发特定函数，确保任务以精确的时间间隔执行。
   • 典型应用：IMU数据采样、PID控制器更新、PWM输出刷新。

2. 低优先级任务隔离：

   • 将关键任务（如姿态解算）与非关键任务（如日志写入）分离，避免相互干扰。
   • 确保关键任务在固定时间内完成，提高系统稳定性。

3. 硬件资源管理：

   • 利用MCU硬件定时器实现精确计时，减少软件延时带来的误差。

二、实现机制与架构

1. 基于AP_HAL的抽象接口

// AP_HAL 中定义的定时器接口
class HAL {
public:
    // 注册定时器回调函数
    virtual void register_timer_process(AP_HAL::MemberProc) = 0;
    // 注册高优先级定时器回调（用于最关键任务）
    virtual void register_high_priority_timer_process(AP_HAL::MemberProc) = 0;
    // 启动定时器
    virtual void start_timers() = 0;
};

• 跨平台适配：不同硬件平台（如PX4、Linux）通过实现上述接口提供定时器功能。

2. 回调函数注册与优先级

// 在AP_InertialSensor初始化中注册IMU采样回调
void AP_InertialSensor::init()
{
    // 注册IMU采样回调到高优先级定时器
    hal.scheduler->register_high_priority_timer_process(
        FUNCTOR_BIND_MEMBER(&AP_InertialSensor::_update, void));
}

• 优先级分类：
  • 高优先级：用于最关键任务（如IMU数据读取），通常在专用定时器上运行。
  • 普通优先级：用于次要任务（如电机输出更新），在主定时器循环中执行。

3. 定时器中断处理流程

1. 硬件定时器触发：MCU定时器达到预设值时产生中断。
2. 中断服务程序（ISR）：

   // 伪代码：定时器中断服务程序
   void TIMER_ISR() {
       // 清除中断标志
       clear_interrupt_flag();
       // 执行高优先级回调队列
       run_high_priority_callbacks();
       // 执行普通优先级回调队列
       run_normal_priority_callbacks();
   }
   

3. 回调函数执行：按注册顺序依次调用已注册的回调函数。

三、关键特性与设计考虑

1. 严格的时间约束

• 周期确定性：回调函数必须在指定时间内完成，否则可能导致后续任务延迟。
• 示例：400Hz的IMU采样任务必须在2.5ms内完成，否则影响姿态解算精度。

2. 回调函数设计原则

• 短小精悍：避免在回调中执行耗时操作（如文件IO、复杂计算）。
• 原子操作：确保数据访问的线程安全性，避免与主循环或其他回调冲突。
• 错误处理：回调内的异常不能导致系统崩溃，需优雅处理错误。

3. 负载平衡与调度优化

• 任务拆分：将复杂任务分解为多个小任务，分布在不同优先级回调中。
• 示例：IMU数据采样→姿态解算→控制输出，分阶段在不同回调中完成。

四、典型应用场景

1. 传感器数据采集

// IMU数据采集回调
void AP_InertialSensor::_update()
{
    // 读取加速度计和陀螺仪原始数据
    read_accel_raw();
    read_gyro_raw();
    
    // 应用校准参数
    apply_calibration();
    
    // 更新滤波后的数据
    update_filtered_data();
}

• 频率：通常为400Hz-1kHz，确保捕获高频运动信息。

2. 姿态控制循环

// 姿态控制回调（如200Hz）
void Copter::attitude_control()
{
    // 获取最新姿态
    Quaternion attitude = ahrs.get_quaternion();
    
    // 计算姿态误差
    Vector3f error = calculate_attitude_error(target_attitude, attitude);
    
    // PID控制器更新
    update_pid_controllers(error);
    
    // 生成电机输出
    output_to_motors();
}

• 频率：通常为200Hz-400Hz，平衡控制响应速度与计算负载。

3. PWM输出刷新

// PWM输出回调（如50Hz-400Hz）
void AP_Motors::output()
{
    // 将控制信号转换为PWM值
    calculate_pwm_outputs();
    
    // 更新硬件PWM寄存器
    write_pwm_values();
}

• 频率：根据电调类型调整（普通电调50Hz，Oneshot电调400Hz）。

五、调试与性能优化

1. 定时器负载监控：

   // 计算定时器回调执行时间
   uint32_t start_time = micros();
   run_timer_callbacks();
   uint32_t execution_time = micros() - start_time;
   
   // 记录最大执行时间，检测过载情况
   if (execution_time > max_timer_load) {
       max_timer_load = execution_time;
   }
   

2. 过载处理策略：

   • 减少回调函数中的计算量。
   • 调整任务优先级，确保关键任务优先执行。
   • 增加硬件资源（如使用更高主频的MCU）。

六、与其他调度机制的对比