四轴飞行器攻略3：串口通信
由 动力老男孩 发表于 2012/01/25 22:39:32虽然四轴飞行器还没有最后完工，但我觉得这不妨碍先发一部分攻略。作为一个新手，我在调试过程中遇到了很多问题，现在不记下来的话，等完工了很可能都忘了；另外，高手们也可以通过我的攻略，看看有没有什么错误，或者哪里可以优化；最主要的是，独乐乐不如众乐乐，分享是DIYer们的精神之一 
上次整理了四轴攻略的目录，今天正式把它放在导航栏成为一个新项目，目录的顺序是按照我制作的顺序来组织的。
比如刚买回来电机和电调，本来应该先做电机控制实验。但是看了说明书发现这种电机还需要初始化，而且初始化需要可调比例的PWM方波（具体的设置方法会在后续的电调部分介绍）。对于控制来说，调节方法至少有两种：一种用旋转电位器连接Arduino的模拟输入，另一种是用计算机或者手机通过串口控制调节。
因为电机的初始化只需要做一次，为了这个增加电位器好像没有必要；而串口通信则会贯通在整个控制和调试的过程中，所以我决定先从它开始实验。
串口通信其实之前已经做过很多小实验了，简单的一段演示代码如下：
Serial.begin(9600); // 设置波特率
Serial.write(123); // 向控制端写数据
while(Serial.available()) {
// 如果有数据，则读取数据
byte data = Serial.read();
}
很快你会发现这段简单的小代码有一些问题。
1. 传输速度：
代码中的9600是波特率，也就是数据通信的速度，它是目前比较流行的传输速率。以这个速度通信的话，每发送一个字节（Byte）到控制端需要的时间大概是1毫秒。需要注意的是，为了精确控制四轴的平衡，我们需要尽量在短时间内多读取各种传感器的值。以目前的350Hz的采样率来说，每2.85毫秒就需要读取一次陀螺仪和重力感应器。这种情况下，1Byte/ms的传输速度显然是不能容忍的。解决的办法就是修改波特率，Arduino支持的波特率包括：300, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600, 和 115200。如果修改的话，相应的控制端也需要修改成一样的。
大家可能会说，为什么不全都用高速的呢？实际上能使用多少的波特率，跟处理器的主频有关；而且主频最好是波特率的整数倍，否则的话可能会增加错误率。对于我这个四轴来说，如果用USB和电脑通信，可以达到最高的115200；如果用蓝牙和手机通信，只能达到9600的波特率（因为蓝牙模块修改波特率还需要额外购买一个控制板）
很让人高兴的一点是，Arduino支持在运行过程中动态修改波特率。所以可以首先使用9600连接，当发现连接对象是电脑时，调整为115200：
if(controlType == 100 && !connectToPc) {
Serial.end();
connectToPc = true;
Serial.begin(115200);
}
需要说明的是，只有发送数据才有这个问题，对于单向接收数据基本是没有关系的。因为Arduino接收的数据会放在缓冲区里，在读取的时候数据已经下载完毕，主程序不需要等待接收。
2. 关于通信协议
对于一个新手来说，协议可能是个特别吓人的词汇，感觉是权威机构才能制定的东西。事实上，在单片机领域经常需要自己定义协议。下面我们看看到底是怎么回事。
前面的代码中演示了如何接收一个字节的数据，问题是：如果需要接受多个控制数据，读取程序怎么知道哪个字节是控制那个参数呢？
我用了一个非常简单的协议，每组数据6个字节，其中第一个字节是FF，其他字节都小于255。这样一来，我们在读取数据时，如果看到FF就知道它是数组的第一个元素了。
当然我这里是一个简单的协议，对于复杂的系统，数据中很可能也带有FF数据，这种情况该怎么办呢？其实也很简单，就像高等语言中的转义功能。如果数据中有FF，那么我们把它改成FE01。等等，如果数据中原来就有FE01怎么办？我们可以把所有的FE改成FE02。这样就完成了转义。学过HTML语言的同学，可以用&转义符做参考进行理解。
3. 校验位
接下来是另外一个问题。单片机通信并不像我曾经想象的那样稳定和精确，它其实是有可能丢数据的。例如串口数据到达的时候，Arduino的中断正好被触发，这时候数据就丢了。
丢一个数据可能会带来非常严重的后果，例如我的控制参数，第一个是油门，第二个是PID的积分参数，第三个是PID的微分参数。如果第二个数据丢了，我就会认为第三个是积分参数，这两个参数如果相差较大的话，也许四轴就坠毁了……
所以在协议里，还需要确认一下收到的数据是否完整和正确，这里就需要用到校验位。一个常用的简单的方法是，把一组数据依次进行异或操作，把结果作为最后一个字节的数据一起发出去。接收端收到数据后，也相应的做一次异或操作，看看两个值是否相等。从数学上看，也可以把接收数据全部异或起来，如果等于0就对了。（这种异或校验法不能完全保证正确性，有一定的概率会误判，但是大多数情况够用了）
如果校验错误的话，我们宁可把这一组数据丢掉，也不能使用错误的参数。
void loop()
{
while(Serial.available()) {
pushData(Serial.read());
}
}
int bufferIndex = 0;
void pushData(byte data)
{
//验证是否数据的开始
if (bufferIndex < 1 && data != (byte)0xFF) {
bufferIndex = 0;
} else {
buffer[bufferIndex] = data;
if (bufferIndex == 5) {
setParams();
}
bufferIndex = (bufferIndex + 1) % 6;
}
}
void setParams()
{
// 因为超声波中断可能导致数据丢失，所以需要额外的一个字节用于校验
if(buffer[1] ^ buffer[2] ^ buffer[3] ^ buffer[4] == buffer[5]) {
ctrlPower = buffer[1];
reportType = buffer[2];
P_Control = buffer[3] / 200.0;
I_Control = buffer[4] / 200.0;
// 其他处理
}
}
总结，其实所谓的“协议”，就是在数据通信时商量好的“规则”，按照这个规则，我们才能保证接收到正确的数据。
