2020年11月27日 | STM32和ROS机器人的串口通信方案

具体协议大致如下，易读、易调用、易拓展、易更改。

源码文件：进入下面公众号：小白学移动机器人，发送：串口通信升级。即可获得。

http://weixin.qq.com/r/KERAWIvE1daqrc879xE6 (二维码自动识别)

本方案解决的问题：解决以STM32做ROS机器人底层驱动的串口通信问题。

为什么要写篇文章？：

最近发现越来越多的小伙伴走入ROS机器人的领域，而ROS机器人与底层驱动的串口通信问题，是大家学习路上的一个难题。很多小伙伴对STM32单片机并不熟悉，对串口通信的理解并不透彻，自己去解决这个问题，费时费力，最后也可能没有好的结果，并且这又不是大多数学习ROS机器人的重点。最后发现网上也没有很好的教程（也可能是我没找到），所以，这里根据本人的开发经历，给大家提供一种高效、稳定、易用的ROS机器人与STM32串口通信的常用方案。

如果不想了解细节的朋友，可以只看下面方案介绍和方案快速使用部分，关于方案的原理就不用花时间思考了，但是还是希望大家对细节有敬畏之心。

本方案提供的API：（最基础的ROS机器人需要的协议）

STM32向ROS发送左轮实时轮速、右轮实时轮速、实时角度、预留控制位。

ROS向STM32发送左轮设定速度、右轮设定速度、预留控制位

本方案优势：

经测试，长期稳定运行

保证数据准确率极高

频率50HZ左右，可更高，根据自己发送频率设置

易用，引入相关头文件即可，低耦合

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方案介绍：

本方案将数据开头加入数据头，数据尾部加入数据循环冗余校验和数据尾，将数据打包发送，确保数据的正确性，避免出现一些无法察觉的问题。同样根据STM32和Linux系统配备相应的数据解析协议。

本方案STM32下位机依托USART1编写的收发协议，ROS上位机依托boost::asio编写的收发协议。串口并不一定是串口1，可以更改，但是需要程序变更一些内容（很容易，程序中有标记共三处）。

本方案巧妙的使用共用体的特性，进行数据解析，（也就是无需使用数据分离技术解析数据）。关于共用体，你只需要知道以下几点：

1. C语言的一种机制，结构体内不同成员共享内存的机制，（即内存地址一致）

2. 同一时刻，只能访问其中的一个成员

3. 不同成员，按照成员类型的性质进行内存访问

不理解的小伙伴，可以看下图，有直观的理解即可。有图有真相

温馨提示：从左向右读图。

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方案快速使用：

硬件环境准备：（必须）

STM32串口+TTL转USB模块（CH340）+Linux硬件设备

线路连接：（有图有真相）

STM32下位机软件使用介绍：

首先是STM32串口参数的配置：（这里配置代码和相关例程都一致）

• 波特率=115200

• 数据长度=8位

• 停止位=1个

• 奇偶校验位=无

• 硬件数据流控制=无

其次是函数使用说明，封装函数如下图：

这里做简单说明：

函数usartReceiveOneData(int *p_leftSpeedSet,int *p_rightSpeedSet,unsigned char *p_crtlFlag)，填入地址参数作数据获取，使用时放在相应串口的中断服务函数中即可。如这里使用的串口1，如下图所示：

函数usartSendData(short leftVel, short rightVel,short angle,unsigned char ctrlFlag)，填入需要发送的数据变量作发送，使用时放入指定频率的循环里使用，每次发送一次数据，最好延时10-15ms，下位机发送和上位机接收都需要时间（时间和串口波特率有关）。我使用的如下图所示：

其余的两个函数是被上面两个函数调用的，这里就不多说了。

注意：

在外部引用函数时，注意引用头文件#include "mbotLinuxUsart.h"

小伙伴在编译时，可能出现#include "mbotLinuxUsart.h"文件下 sys.h不存在，原因是使用的不是正点原子的例程，此时将#include 替换为各自版本的配置头文件，如果不清楚，就在其他.h文件中复制粘贴已有的头文件，关于stm32的

ROS上位机软件使用介绍：(PC)

看图说话，下面共有四个函数，看函数名和参数就可以理解用途。

首先是调用头文件#include "mbot_linux_serial.h"，然后进行初始化串口

在程序初始化的时候调用serialInit()函数，内置串口参数和下位机串口参数一致。

然后就是在调用writeSpeed(double RobotV, double YawRate，unsigned char ctrlFlag)函数，参数是机器人线速度和角速度，也就是/cmd_vel的数据。将机器人的需要设定的速度下发到下位机。

最后就是调用readSpeed(double &vx,double &vth,double &th，unsigned char &ctrlFlag)函数，这里使用的引用，输入存放机器人线速度、角速度、角度的变量即可。为了发布机器人里程计用的。

注意：

这里需要两个参数根据自己的机器人进行更改，ROBOT_LENGTH 机器人真实轮间距（从左侧轮子中心到右侧轮子中心的距离），ROBOT_RADIUS 机器人轮间距的一半。

文中boost::asio::serial_port sp(iosev, "/dev/mbot");的设备名字是我的串口的设备名字，小伙伴可以根据自己的进行更改，例如，/dev/ttyUSB0。

到这里大家肯定都可以愉悦的使用了。如果想知道细节，请往下看。

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方案的原理解释：

此方案用的是共用体的思路，上面小伙伴们也都对共用有个大致的了解。这是一种按照共用体内成员的数据类型进行内存访问的特性，不同数据类型按照自己的类型访问内存。上位机和下位机的原理是一致的。都定义了数据头、数据尾的常量，和收发共用体。

下位机发送的数据协议: 上位机发送的数据协议:

STM32的串口接收原理：每接收到一个字节就会触发一次中断，我这里采用在串口的中断服务函数中进行数据接收的解析，具体函数体现在receiveTo103()

根据上位机发送的协议进行判断解析，详见代码，注释清晰。

Linux上位机采用ASIO，ASIO不仅支持网络通信，还能支持串口通信。

这里采用boost::asio::write(sp, boost::asio::buffer(buf));发送数据

使用boost::asio::read_until(sp, response, "rn",err);

copy(istream_iterator(istream(&response)>>noskipws),

istream_iterator(),buf);

获取数据，再具体的细节需要见源码解释了。脑子里的思想就是把相应的数据放到相应的位置，没有数据解析概念，对应的字符数据存好后，就可以通过另外一个成员访问了。