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串口通信协议

概述

• 物理层: UART2，引脚 TX=B15 / RX=B16
• 波特率: 115200 bps
• 数据位: 8，无校验，1 停止位（默认 UART 配置）
• 字节序: 多字节数值均采用小端序 (little-endian)
• 校验方式: 累加和校验（checksum = 帧内校验位之前所有字节之和，截断为 uint8_t）
• 软件 FIFO: 16 字节环形缓冲区，UART RX 中断中写入，主循环 command_task() 中解析

工作模式

系统有三种工作模式，通过命令帧切换：

模式	枚举值	说明	使能的控制环
自动模式	COMMAND_MODE_AUTO (0)	视觉追踪 / 全闭环	电机速度环 + 角度环 + 位置环
手动模式	COMMAND_MODE_MANUAL (1)	手动遥控	电机速度环 + 角度环
调试模式	COMMAND_MODE_DEBUG (2)	PID 参数整定	无（所有控制环关闭）

---

数据帧定义

1. 命令帧 0xA7（3 字节）

切换工作模式。

┌────────┬───────┬──────────┐
│  SOF   │  cmd  │ checksum │
│ 0xA7   │  1 B  │   1 B    │
└────────┴───────┴──────────┘

偏移	长度	字段	类型	说明
0	1	SOF	uint8_t	帧头，固定值 0xA7
1	1	cmd	uint8_t	命令码
2	1	checksum	uint8_t	(0xA7 + cmd) & 0xFF

cmd 取值：

值	功能	对应函数
0x01	切换到自动模式	SwitchToAutoMode()
0x02	切换到手动模式	SwitchToManualMode()
0x03	切换到调试模式	SwitchToDebugMode()

示例（切换手动模式）： A7 02 A9

---

2. 手动控制帧 0xA6（8 字节）

仅在手动模式下生效，用于实时控制底盘运动。

┌────────┬────────────────────┬─────────────────────┬──────────┐
│  SOF   │ motor_speed_base   │   angle_velocity    │ checksum │
│ 0xA6   │    int16_t (2 B)   │    float (4 B)      │   1 B    │
└────────┴────────────────────┴─────────────────────┴──────────┘

偏移	长度	字段	类型	说明
0	1	SOF	uint8_t	帧头，固定值 0xA6
1	2	motor_speed_base	int16_t (LE)	基础直行速度，范围 -50~+50
3	4	angle_velocity	float (LE)	角度速率，单位 °/s
7	1	checksum	uint8_t	(0xA6 + 前 6 字节之和) & 0xFF

控制算法：

motor_speed_left_ref  = motor_speed_base - speed_dif
motor_speed_right_ref = motor_speed_base + speed_dif

其中 speed_dif 由角度环 PID 根据 yaw_ref 与当前 imu_angle.yaw 计算得出。手动模式下 yaw_ref 以 angle_velocity 速率持续累加：

yaw_ref += angle_velocity * dt    (dt = 0.02s)

---

3. 调试调参帧 0xA8（38 字节）

仅在调试模式下生效，一次性更新所有 PID 参数（Kp / Ki / Kd）。

┌────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────┬──────────┐
│  SOF   │ Kp_speed │ Ki_speed │ Kd_speed │ Kp_yaw   │ Ki_yaw   │ Kd_yaw   │ Kp_pos   │ Ki_pos   │ Kd_pos   │ checksum │
│ 0xA8   │ float(4) │ float(4) │ float(4) │ float(4) │ float(4) │ float(4) │ float(4) │ float(4) │ float(4) │   1 B    │
└────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────┴──────────┘

偏移	长度	字段	类型	说明
0	1	SOF	uint8_t	帧头，固定值 0xA8
1	4	Kp_speed	float (LE)	电机速度环比例系数（左右共用）
5	4	Ki_speed	float (LE)	电机速度环积分系数
9	4	Kd_speed	float (LE)	电机速度环微分系数
13	4	Kp_yaw	float (LE)	角度环比例系数
17	4	Ki_yaw	float (LE)	角度环积分系数
21	4	Kd_yaw	float (LE)	角度环微分系数
25	4	Kp_position	float (LE)	位置环比例系数
29	4	Ki_position	float (LE)	位置环积分系数
33	4	Kd_position	float (LE)	位置环微分系数
37	1	checksum	uint8_t	(0xA8 + 前 36 字节之和) & 0xFF

各环默认参数：

控制环	Kp	Ki	Kd	输出限幅	采样周期	优化环节
电机速度环（左/右）	300.0	150.0	0.0	±3000 (MOTOR_MAX)	10ms	—
角度环	1.0	0.0	0.0	±25 (°/s)	20ms	偏航角误差修正
位置环	0.5	0.0	0.0	±90 (°/s)	20ms	—

注意：调试模式下所有控制任务已关闭，电机停转。修改参数后需切换到自动或手动模式才能观察效果。修改的参数直接写入 PID 实例的 Kp/Ki/Kd 字段，不清除积分等运行时状态。

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4. 角度速率前馈帧 0xA9（6 字节）— MCU → PC

由 MCU 经 DMA 主动发送，上报位置环计算的角度速率，供云台等设备做前馈控制。

┌────────┬─────────────────────┬──────────┐
│  SOF   │   angle_velocity    │ checksum │
│ 0xA9   │    float (4 B)      │   1 B    │
└────────┴─────────────────────┴──────────┘

偏移	长度	字段	类型	说明
0	1	SOF	uint8_t	帧头，固定值 0xA9
1	4	angle_velocity	float (LE)	角度速率，单位 °/s
5	1	checksum	uint8_t	(0xA9 + 前 4 字节之和) & 0xFF

发送触发条件：位置环控制任务使能时，每 20ms（50Hz）在 position_control_task() 中调用 command_send_angle_velocity()。

---

通信流程

┌──────────┐                          ┌──────────┐
│   PC     │ ──── 0xA7 cmd ────────→ │  MSPM0   │
│ (上位机) │ ←─── 0xA9 feedback ──── │ (MCU)    │
│          │ ──── 0xA6 manual ─────→ │          │
│          │ ──── 0xA8 debug ──────→ │          │
└──────────┘                          └──────────┘

典型操作流程：

1. 上电默认：自动模式，位置环+角度环+速度环全部使能
2. 切换到手动模式：发送 A7 02 A9，然后周期发送 0xA6 控制帧驱动底盘
3. PID 调参：发送 A7 03 AA 进入调试模式（电机停转），发送 0xA8 调参帧更新参数，再发 A7 01 A8 或 A7 02 A9 切换回运行模式观察效果

模式切换副作用

每次切换模式时，系统会执行以下操作：

操作	自动模式	手动模式	调试模式
设置 current_mode	AUTO (0)	MANUAL (1)	DEBUG (2)
清除 PID 运行时状态	全部 4 个 PID	速度环+角度环	—
yaw_ref	= 当前 imu_angle.yaw	= 当前 imu_angle.yaw	—
angle_velocity	归零	归零	—
motor_speed_ref	归零	归零	—
motor_speed_base	= 10 (AUTO_MODE_BASE_SPEED)	归零	—
电机 PWM	归零	归零	归零
速度环使能	✅	✅	❌
角度环使能	✅	✅	❌
位置环使能	✅	❌	❌
蜂鸣器	100ms	200ms	300ms

C 语言帧构造示例

#include <stdint.h>
#include <string.h>

// --- 构造 0xA7 命令帧 ---
void build_cmd_frame(uint8_t *buf, uint8_t cmd) {
    buf[0] = 0xA7;
    buf[1] = cmd;
    buf[2] = (uint8_t)(0xA7 + cmd);
    // 发送 buf, 长度 3
}

// --- 构造 0xA6 手动控制帧 ---
void build_manual_frame(uint8_t *buf, int16_t speed, float yaw_rate) {
    buf[0] = 0xA6;
    memcpy(&buf[1], &speed, 2);      // int16_t, 小端
    memcpy(&buf[3], &yaw_rate, 4);   // float, 小端
    uint8_t sum = 0xA6;
    for (int i = 1; i < 7; i++) sum += buf[i];
    buf[7] = sum;
    // 发送 buf, 长度 8
}

// --- 构造 0xA8 调试调参帧 ---
void build_debug_frame(uint8_t *buf, float kp_s, float ki_s, float kd_s,
                       float kp_y, float ki_y, float kd_y,
                       float kp_p, float ki_p, float kd_p) {
    buf[0] = 0xA8;
    memcpy(&buf[1],  &kp_s, 4);
    memcpy(&buf[5],  &ki_s, 4);
    memcpy(&buf[9],  &kd_s, 4);
    memcpy(&buf[13], &kp_y, 4);
    memcpy(&buf[17], &ki_y, 4);
    memcpy(&buf[21], &kd_y, 4);
    memcpy(&buf[25], &kp_p, 4);
    memcpy(&buf[29], &ki_p, 4);
    memcpy(&buf[33], &kd_p, 4);
    uint8_t sum = 0xA8;
    for (int i = 1; i < 37; i++) sum += buf[i];
    buf[37] = sum;
    // 发送 buf, 长度 38
}