APM飛控學習之路：5 串口概述與收發調試

        “雲中誰寄錦書來，雁字回時，月滿西樓”。當無人機在空中飛翔時，從APM飛控到飛手之間有幾條看不見的“風箏線”——（1）2.4GHz的遙控；（2）433/915MHz的數傳；（3）5.8GHz的圖傳；（4）osd（on-screen display）。其中遙控是大家最爲熟知的，用於控制飛行和切換模式。數傳說白了是一個披着射頻的皮的無線串口，波特率57600，連接地面站可實時觀測飛行數據和在線調參。圖傳是FPV（First Person View）必備，傳輸視頻信號用於航拍。osd是錦上添花的部件，將飛行數據疊加到視頻信號上一起傳回地面接收機。

        遙控、圖傳和osd都是很成熟的產品，對於開源用戶來說定製性不強，而數傳可以傳回用戶感興趣的任何數據以及在線調參，實爲居家必備之良品。如果選購與APM適配的3DR數傳，無需任何修改，插上APM即可在地面站（Mission Planner）監測無人機的飛行數據。從功能上看，數傳與下載程序兼具串口功能的USB線別無二致，只是形態上有線無線而已。二者的技術基礎是串口以及基於串口的Mavlink通信，本文主要討論如何使用APM中的串口並進行二次開發。

APM2.8串口概述

        串口的英文名是UART，全稱Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用異步接收/發送機，只要一對傳輸線（RX-TX）即可實現雙向通信。串口通過USB轉TTL模塊可插在電腦的USB口，在設備管理器上體現爲COM口，是單片機調試和通信的重要接口。

        對於APM2.8飛控，其主控芯片爲Atmega2560，有4個串口，分別爲UART0~UART3，在APM中起作用的只是前3個，即UART0、UART1和UART2。UART0接USB，UART1接GPS，UART2接數傳。

        APM3.2.1源碼爲適應除APM之外的不同硬件（如PIXHAWK），在硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）提供了通用的外設接口。在HAL.h中可以查看HAL類的聲明，串口方面保留了_uartA~_uartE共5個。

class AP_HAL::HAL {
public:
    HAL(AP_HAL::UARTDriver* _uartA, // console
        AP_HAL::UARTDriver* _uartB, // 1st GPS
        AP_HAL::UARTDriver* _uartC, // telem1
        AP_HAL::UARTDriver* _uartD, // telem2
        AP_HAL::UARTDriver* _uartE, // 2nd GPS
        AP_HAL::I2CDriver*  _i2c,
        AP_HAL::SPIDeviceManager* _spi,
        AP_HAL::AnalogIn*   _analogin,
        AP_HAL::Storage*    _storage,
        AP_HAL::UARTDriver* _console,
        AP_HAL::GPIO*       _gpio,
        AP_HAL::RCInput*    _rcin,
        AP_HAL::RCOutput*   _rcout,
        AP_HAL::Scheduler*  _scheduler,
        AP_HAL::Util*       _util)
        :
        uartA(_uartA),
        uartB(_uartB),
        uartC(_uartC),
        uartD(_uartD),
        uartE(_uartE),
        i2c(_i2c),
        spi(_spi),
        analogin(_analogin),
        storage(_storage),
        console(_console),
        gpio(_gpio),
        rcin(_rcin),
        rcout(_rcout),
        scheduler(_scheduler),
        util(_util)
    {}

    virtual void init(int argc, char * const argv[]) const = 0;

    AP_HAL::UARTDriver* uartA;
    AP_HAL::UARTDriver* uartB;
    AP_HAL::UARTDriver* uartC;
    AP_HAL::UARTDriver* uartD;
    AP_HAL::UARTDriver* uartE;
    AP_HAL::I2CDriver*  i2c;
    AP_HAL::SPIDeviceManager* spi;
    AP_HAL::AnalogIn*   analogin;
    AP_HAL::Storage*    storage;
    AP_HAL::UARTDriver* console;
    AP_HAL::GPIO*       gpio;
    AP_HAL::RCInput*    rcin;
    AP_HAL::RCOutput*   rcout;
    AP_HAL::Scheduler*  scheduler;
    AP_HAL::Util*       util;
};

        落實到APM2.8飛控板上，從HAL_AVR_APM2_Class.cpp中可以查看串口的對應關係，同樣可以得出只用了前3個，且UART0接USB，UART1接GPS，UART2接數傳。源碼與飛控板，一個底層，一個上層，“默契”地達成了一致。

HAL_AVR_APM2::HAL_AVR_APM2() :
    AP_HAL::HAL(
        &avrUart0Driver, /* phys UART0 -> uartA */
        &avrUart1Driver, /* phys UART1 -> uartB */
        &avrUart2Driver, /* phys UART2 -> uartC */
        NULL,            /* no uartD */
        NULL,            /* no uartE */
        &avrI2CDriver,
        &apm2SPIDriver,
        &avrAnalogIn,
        &avrEEPROMStorage,
        &avrUart0Driver,
        &avrGPIO,
        &apm2RCInput,
        &apm2RCOutput,
        &avrScheduler,
        &avrUtil )
{}

        如果大家仔細觀察上面APM2.8的方框圖，可以發現數傳和USB接口都是走的UART0，這是爲何？因爲APM2.8採用了一種MUX複用的方式，使得當數傳與USB同時接上的時候，USB會把數傳屏蔽，即UART0占主導地位。在此祭出硬件原理圖，TS5A23157是一個模擬開關，3DR代表數傳。當USB和數傳同時接上時，模擬開關會將3DR_RX與RX0接上，3DR_TX與TX0接上，即串口0把數傳給屏蔽了。

串口源碼分析

        一個串口要發揮作用，首先需要初始化，即配置波特率、設置起始位等操作。對於STM32單片機（用於PIXHAWK），還有串口中斷等配置。APM中的Arduino單片機比較簡單，只需配置好波特率，其餘保持默認即可。

        Arduino程序的初始化，一般在setup()函數中。不出所料，串口的初始化也在其中，見ArduCopter.pde的setup()函數，可以看到初始化函數init_ardupilot()。

void setup() 
{
    cliSerial = hal.console;

    // Load the default values of variables listed in var_info[]s
    AP_Param::setup_sketch_defaults();

    // setup storage layout for copter
    StorageManager::set_layout_copter();

    init_ardupilot();

    // initialise the main loop scheduler
    scheduler.init(&scheduler_tasks[0], sizeof(scheduler_tasks)/sizeof(scheduler_tasks[0]));
}

        在Visual Studio+VMICRO的環境下，按F12或鼠標右鍵可轉到init_ardupilot()的定義，在system.pde的init_ardupilot()中摘出與uartA有關的代碼以便分析。

hal.uartA->begin(map_baudrate(g.serial0_baud), 512, 128);，

//gcs[0].init(hal.uartA);

hal.uartA->set_blocking_writes(false);

        第1行和第3行很好理解，分別是uartA設置波特率（115200）和非阻塞模式，第2行的gcs[0]容易讓人迷惑。gcs的全稱爲Ground Control Station，即地面工作站。再轉到gcs的定義，可發現其數據類型爲GCS_MAVLINK，由此可斷定該行代碼的作用是綁定Mavlink和uartA，將數據以Mavlink協議與地面站通信。爲單獨測試串口收發，可取消uartA與Mavlink的綁定，即註釋掉gcs所在行的代碼。

串口數據收發

        初始化搞定之後，就可以進行簡單的串口收發測試——串口助手發數據給飛控，飛控返回原數據。串口的接收一般有2種方式：查詢或中斷。Arduino中的串口中斷函數爲SerialEvent，是一種軟中斷，博主將Arduino nano板中測試通過的串口中斷代碼移植到APM源碼中，發現並不起作用。原因尚不明確，或許 APM板本身並不支持，也可能是博主移植的地方不合適。期待有心人進行嘗試，歡迎留言討論。
        爲了推進測試進程，轉向查詢方式。有2種方式：1.在ArduCopter.pde的fast_loop中查詢；2.在UserCode.pde中添加代碼。如果要使用UserCode.pde，需在ArduCopter.pde添加相應的宏，才能將UserCode.pde加入編譯。爲了方便，博主在fast_loop()中添加串口接收查詢代碼：

static void fast_loop()
{

    // IMU DCM Algorithm
    // --------------------
    read_AHRS();

    // run low level rate controllers that only require IMU data
    attitude_control.rate_controller_run();
    
#if FRAME_CONFIG == HELI_FRAME
    update_heli_control_dynamics();
#endif //HELI_FRAME

    // write out the servo PWM values
    // ------------------------------
    set_servos_4();

    // Inertial Nav
    // --------------------
    read_inertia();

    // 串口接收查詢 by--嶽小飛
    while (hal.uartA->available())
    {
         uint8_t data = (uint8_t)hal.uartA->read();
         hal.uartA->write(data);
    }

    // run the attitude controllers
    update_flight_mode();

    // optical flow
    // --------------------
#if OPTFLOW == ENABLED
    if(g.optflow_enabled) {
        update_optical_flow();
    }
#endif  // OPTFLOW == ENABLED

}

        打開串口，APM飛控會發出一串提示字符，包括版本信息，如“Init ArduCopter V3.2.1”。博主發送“YueXiaoFei”，飛控原樣返回，測試通過。基於這個簡單的收發測試，大家可自定義數據協議，發送和接收感興趣的飛行數據，也可學習基於串口的Mavlink協議。

        PS：無人機系列的第5篇至此結束，系列博客也隨之告一段落。就應用方面而言，從入門到編譯，從編譯到調試，博主儘可能地將問題講清楚，所有資料免積分下載，也算是爲開源貢獻自己的一份力吧。博客中可能存在一些小錯誤，也歡迎大家在評論區批評指正。力有不逮，敬請見諒~