MAVLink通讯协议在STM32上移植，并自定义协议

mavlink全称是(Micro Air Vehicle Message Marshalling Library)，从名字可以看出，mavlink是主要面向飞控的一种开源通信协议。因此它默认定义了很多适用于飞控的信息格式，比如heartbeat(心跳信号，每隔一两秒主从通信一次，以验证通信是否正常)。

首先要说明的是，mavlink作为一个非常可靠(至少两字节校验)、支持类型丰富(message ID、component ID等)的通信协议，每次通信时，除了payload以外，还要占用至少8个字节的冗余信息，具体的这八个字节都是什么，可以参考别人的详细介绍。因此在使用mavlink之前需要考虑，在硬件资源非常有限的情况下，是否有必要牺牲效率来换取可靠性。
先放一些参考文章

MAVLink除了能够支持ardupilot等无人机通信协议外，最大的特点是可以定制通信协议。前面两篇文章主要在讲MAVLink的主要结构，后面三篇出自同一个人，完整再现了一个如何从自动生成代码并移植到STM32上的过程，本文参考其甚多，但是正如前面所言，这里面没有对如何定制通信协议进行讨论，并且也没有对整个MAVLink的结构有介绍，在移植的过程中总是报错。

定制通信协议

MAVLink的通信协议是根据xml文件自动生成的。

image.png

从官网下载MAVLink的源码后，可以得知定义通信协议的xml文件位于message_definitions/v1.0/下面，其中参考文章3、4和5就利用的common.xml进行自动生成的。

image.png

test.xml是其中最简单的一种协议，test.xml的代码如下所示：

<?xml version="1.0"?>
<mavlink>
  <version>3</version>
  <messages>
    <message id="0" name="TEST_TYPES">
      <description>Test all field types</description>
      <field type="char" name="c">char</field>
      <field type="char[10]" name="s">string</field>
      <field type="uint8_t" name="u8">uint8_t</field>
      <field type="uint16_t" name="u16">uint16_t</field>
      <field print_format="0x%08x" type="uint32_t" name="u32">uint32_t</field>
      <field type="uint64_t" name="u64">uint64_t</field>
      <field type="int8_t" name="s8">int8_t</field>
      <field type="int16_t" name="s16">int16_t</field>
      <field type="int32_t" name="s32">int32_t</field>
      <field type="int64_t" name="s64">int64_t</field>
      <field type="float" name="f">float</field>
      <field type="double" name="d">double</field>
      <field type="uint8_t[3]" name="u8_array">uint8_t_array</field>
      <field type="uint16_t[3]" name="u16_array">uint16_t_array</field>
      <field type="uint32_t[3]" name="u32_array">uint32_t_array</field>
      <field type="uint64_t[3]" name="u64_array">uint64_t_array</field>
      <field type="int8_t[3]" name="s8_array">int8_t_array</field>
      <field type="int16_t[3]" name="s16_array">int16_t_array</field>
      <field type="int32_t[3]" name="s32_array">int32_t_array</field>
      <field type="int64_t[3]" name="s64_array">int64_t_array</field>
      <field type="float[3]" name="f_array">float_array</field>
      <field type="double[3]" name="d_array">double_array</field>
    </message>
  </messages>
</mavlink>

里面的定义比较清晰，参考前面1、2文章，相信大多数人是很容易看懂是什么意思的，此处不再赘述。
我们定义我们发送的数据叫pressure，里面只包含一个double型的变量，名叫PP(此处也可以定义更多变量)，其定义xml如下：

<?xml version="1.0"?>
<mavlink>
  <version>3</version>
  <messages>
    <message id="0" name="pressure">
      <description>Test all field types</description>
      <field type="double" name="PP">double</field>
    </message>
  </messages>
</mavlink>

message id为0的情况在无人机通信协议中一般代指heartbeat，这里我们直接忽略，就命其为pressure。可以理解为pressure就类似结构体的名字，PP就是里面的成员变量的名字，类型是double。

生成mavlink通信协议的文件

参考文章3，可以用Python根据xml文件自动生成mavlink通信所需的文件。

    1. 在mavlink文件夹内执行
python -m mavgenerate

弹出下图所示 MAVink Generator

image.png
    1. XML选择message_definitions/v1.0/下已经定义好的文件Out随便选择一个空文件夹
    1. 点击Generate即可在out文件夹内生成所需要的通讯文件，全部都是.h文件，其中带有一个pressure文件夹，这个文件夹的名字和你XML的名字是一样的
image.png
image.png

pressure文件夹内的文件是针对pressure这一种message专门生成的，pressure外面文件夹内的文件是较为通用的文件，但是每个协议xml不同，生成的内容也不一样。

修改文件避免报错

在移植到keil5中，需要修改的主要以下几处，否则会报大量的错误。

    1. mavlink_types.h,
image.png
    1. mavlink_types.h
image.png
    1. checksum.h
image.png
    1. mavlink_conversions.h
image.png
image.png
    1. mavlink_helpers.h

image.png

至此，在keil5中编译mavlink.h开头的文件都不会有错了，使用时直接包含mavlink.h即可。
在我们使用中，pressure外面文件夹内的文件定义了上层的通信接口，每次生成都是一样的(比如在pressure内再添加一个成员变量时)，pressure文件夹内的文件是根据xml文件来的，如果再添加一条attitude信息，则会根据attitude的定义，生成一个对应的文件夹，因此修改好外面这几个错误，可以直接拷贝使用，不用每次换个协议就重新修改使用。

..\MAVLINK\fish_type\./mavlink_msg_pressure_collected_full.h(317): warning:  #191-D: type qualifier is meaningless on cast type
image.png

解决办法：


image.png

--gnu 则根据实际情况添加或者不添加
这里吐槽一下mavlink，它生成函数只有定义，没有声明，keil无法跳转到函数定义，非常不方便。

打包信息并发送

MAVLink的关于pressure的函数都位于mavlink_msg_pressure.h中，我们最需要关心两个问题

  • 1、如何发送我采集到的pressure数据?
  • 2、如何接收并解析出上位机发送给我的数据？
    对于问题1，mavlink分两步走：
  • 1）mavlink_msg_pressure_pack、mavlink_msg_pressure_pack_chan、mavlink_msg_pressure_encode、mavlink_msg_pressure_encode_chan，这四个函数都在mavlink_msg_pressure中定义，是用来打包所需要发送的信息的，打包好的信息里面已经带有校验码和顺序等一系列信息，因此无需再考虑添加校验位的问题
  • 2）打包好的信息并不是一个数组，而是mavlink_message_t类型的，此类型名字不带pressure，说明这是一个比较上层的结构。我们可以利用mavlink_msg_to_send_buffer函数将mavlink_message_t类型的信息转成char 数组的形式，并返回数组长度，有了此数组可以调用对应单片机的发送模块(如串口)进行发送
  • 3）注：mavlink还提供了上层代码和下层代码之间进行互相匹配的设置，默认是没有开启的。这一段代码在mavlink_msg_pressure.h中，即#define MAVLINK_USE_CONVENIENCE_FUNCTIONS后可以使用mavlink_msg_pressure_send、mavlink_msg_pressure_send_struct、mavlink_msg_pressure_send_buf等函数直接调用串口的发送程序进行发送。这四个函数的仅是接口略有不同，调用的核心函数都是一样的。函数的调用过程为发送函数 >> _mav_finalize_message_chan_send >> _mavlink_send_uart >> comm_send_ch，因此只需要定义好comm_send_ch即可使用上层函数通过串口发送数据。

发送信息的大致流程代码为：

mavlink_message_t message_buf;
// preesure_buffer的大小为8+sizeof(double)
uint8_t preesure_buffer[MAVLINK_NUM_NON_PAYLOAD_BYTES + MAVLINK_MSG_ID_pressure_LEN];
double PP= 123.5678; 
int length = 0;
// system_id、component_id随便设置，不影响发送，接收方自己能对号入座即可
mavlink_msg_pressure_pack(14, 15, &message_buf, PP);
length = mavlink_msg_to_send_buffer(preesure_buffer, &message_buf);
// serial_send(preesure_buffer, length);
// serial_write_buf(preesure_buffer, length);  //配合后面的mavlink_usart_fifo.c使用

接收信息并解析

首先我们需要认识到，单片机接收数据是按照字节进行接收的，每一个字节都会触发接收中断，但是单片机事先是无法得知这一帧数据是多少个字节的，即使知道字节数，万一出现丢失数据的情况，真实数据也无从得知。此处就体现出标准通信协议的优势了，我们不仅不需要考虑丢失数据校验的问题，还能够按照字节处理数据，做到及时解析出正确数据和及时发现传输错误的数据。接收数据的关键函数在mavlink_helper.h中
MAVLink在接收信息时，也需要两步走：

  • 1）在不间断的接收过程中，指示出何时接收到完整的一帧数据，并返回。mavlink_parse_char即可以不断接收一个字节的数据，并在接收到完整一条数据时返回1，否则返回0，并返回一个mavlink_message_t类型的数据。
  • 2）在接收到完整的一帧数据时，可以用mavlink_msg_pressure_get_PP从mavlink_message_t类型中得到PP数据，也可用mavlink_msg_pressure_decode对mavlink_message_t进行解析得到一个mavlink_pressure_t的数据**。

接收信息的处理大致流程为：

mavlink_message_t msg;
mavlink_status_t status;
mavlink_channel_t           chan;

void USART3_IRQHandler(void)
{           
  uint8_t c;    
  if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)//数据接收终端
  { 
        c = USART_ReceiveData(USART3);  
        if(mavlink_parse_char(chan, c, &msg, &status))
        {
            double pp = mavlink_msg_pressure_get_PP(&msg);
            printf("Received message with ID %d, sequence: %d from component %d of system %d, pp = %.3f\n", \
                   msg.msgid, msg.seq, msg.compid, msg.sysid, pp);
        }
  }     
}

串口FIFO

具体到STM32，其作为一款嵌入式芯片，实时性是它优先考虑的。
一般来说串口是高速设备，因此发生中断时处理串口任务应时间应尽量短，同时，在发送时，如果有大量的数据要发送，会一直占用串口资源，也会阻碍后续任务运行。因此考虑为串口设备增加FIFO缓存，以减轻高速设备和低速任务之间速度不匹配的问题。
代码来自于文章5，这里仅作备份。
mavlink_usart_fifo.h

// mavlink_usart_fifo.h
#ifndef _USART_FIFO_H_//×÷Õߣººã¾ÃÁ¦ÐÐ  qq:624668529
#define _USART_FIFO_H_
#include "stdint.h"
#define true 1
#define false 0
    
#define UART_TX_BUFFER_SIZE        120
#define UART_RX_BUFFER_SIZE        120

typedef struct _fifo
{
    uint8_t *buf;
    uint16_t length;
    uint16_t head;
    uint16_t tail;
} fifo_t;
uint8_t fifo_read_ch(fifo_t *fifo, uint8_t *ch);
uint8_t fifo_write_ch(fifo_t *fifo, uint8_t ch);
uint16_t fifo_free(fifo_t *fifo);
uint16_t fifo_used(fifo_t *fifo);
void fifo_init(fifo_t *fifo, uint8_t *buf, uint16_t length);
uint8_t serial_write_buf(uint8_t *buf, uint16_t length);
uint8_t serial_read_ch(void);
uint16_t serial_free(void);
uint16_t serial_available(void);
#endif  /*_USART_FIFO_H_*/

mavlink_usart_fifo.c

//mavlink_usart_fifo.c
#include "mavlink_usart_fifo.h"
#include "stm32f4xx.h"
#include "mavlink.h"

mavlink_message_t msg;
mavlink_status_t status;
extern mavlink_channel_t           chan;

fifo_t uart_rx_fifo, uart_tx_fifo;
uint8_t uart_tx_buf[UART_TX_BUFFER_SIZE], uart_rx_buf[UART_RX_BUFFER_SIZE];
/** @brief 读FIFO
  * @param fifo 待读缓冲区
    *        *ch   读到的数据
    * @return 
    *        正确读取，1； 无数据，0
  */
uint8_t fifo_read_ch(fifo_t* fifo, uint8_t* ch)
{
    if(fifo->tail == fifo->head) return false;
    *ch = fifo->buf[fifo->tail];  
    
    if(++fifo->tail >= fifo->length) fifo->tail = 0;
  return true;
}
/** @brief 写一字节数据到FIFO
  * @param fifo 待写入缓冲区
    *        ch   待写入的数据
    * @return 
    *        正确，1； 缓冲区满，0
  */
uint8_t fifo_write_ch(fifo_t* fifo, uint8_t ch)
{
    uint16_t h = fifo->head;
    
    if(++h >= fifo->length) h = 0;
    if(h == fifo->tail) return false;
    
    fifo->buf[fifo->head] = ch;
    fifo->head = h;
  return true;
}
/** @brief 返回缓冲区剩余字节长度
  * @param fifo 
    * @return 
    *        剩余空间
  *
  * @note  剩余字节长度大于等于2时，才可写入数据
  */
uint16_t fifo_free(fifo_t* fifo)  
{
    uint16_t free;
    
    if(fifo->head >= fifo->tail) free = fifo->tail + (fifo->length - fifo->head);
    else free = fifo->tail - fifo->head;
    
  return free;
}
uint16_t fifo_used(fifo_t* fifo)
{
    uint16_t used;
    
    if(fifo->head >= fifo->tail) used = fifo->head - fifo->tail;
    else used = fifo->head + (fifo->length - fifo->tail);
    
    return used;    
}
/** @brief 初始化缓冲区
  * @param *fifo
  *        *buf 
  *        length
  */
void fifo_init(fifo_t* fifo, uint8_t* buf, uint16_t length)  
{
    uint16_t i;
    
    fifo->buf = buf;
    fifo->length = length;
    fifo->head = 0;
    fifo->tail = 0;
    
    for(i=0; i<length; i++) fifo->buf[i] = 0;   
}
/** @brief 写数据到串口，启动发射
  *        
  * @note 数据写入发射缓冲区后，启动发射中断，在中断程序，数据自动发出
  */
uint8_t serial_write_buf(uint8_t* buf, uint16_t length) {
    uint16_t i;
    
    if(length == 0) return false;
  for(i = 0; length > 0; length--, i++) {
        fifo_write_ch(&uart_tx_fifo, buf[i]);
    }   
  USART_ITConfig(USART2, USART_IT_TXE, ENABLE);
    
    return true;
}
/** @brief 自串口读数据 
  * @return 一字节数据
  */
uint8_t serial_read_ch(void){
    uint8_t ch; 
    fifo_read_ch(&uart_rx_fifo, &ch);   
    
    return ch;
}
/** @breif 检测发射缓冲区剩余字节长度 
  * @return 剩余字节长度
  */
uint16_t serial_free(void){
    return fifo_free(&uart_tx_fifo);
}
uint16_t serial_available(void){
    uint16_t used=0;
    used = fifo_used(&uart_rx_fifo);
    //printf("%d\n", used);
    return used;
}

// 数据发送
void USART2_IRQHandler(void)
{           
  uint8_t c;
  if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) != RESET)//数据接收终端
  {  
    USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, DISABLE);
  }
  if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_TXE) != RESET)//数据发送中断
  {         
    if(fifo_read_ch(&uart_tx_fifo, &c)) 
        USART_SendData(USART2, c);     
    else 
        USART_SendData(USART2, 0x55);           
    if (fifo_used(&uart_tx_fifo) == 0) // Check if all data is transmitted . if yes disable transmitter UDRE interrupt
    {
      // Disable the EVAL_COM1 Transmit interrupt 
      USART_ITConfig(USART2, USART_IT_TXE, DISABLE);
    }
  }     
}

//数据接收
void USART3_IRQHandler(void)
{           
  uint8_t c;    
  if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)//数据接收终端
  { 
        c = USART_ReceiveData(USART3);  
        //fifo_write_ch(&uart_rx_fifo, c);
        if(mavlink_parse_char(chan, c, &msg, &status))
        {
            double pp = mavlink_msg_pressure_get_PP(&msg);
            printf("Received message with ID %d, sequence: %d from component %d of system %d, pp = %.3f\n", \
                   msg.msgid, msg.seq, msg.compid, msg.sysid, pp);
        }
  }     
}
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