Ardupilot串口代码解析（应用篇）

lzzoob

代码解析之前

之前三篇文章分别介绍了Ardupilot开发环境的搭建、基于MAVProxy的软件在环仿真以及基于MissionPlanner的软件在环仿真。
Ardupilot开发环境搭建（Ubuntu18.04，20190407）
ArduPilot 软件在环仿真SITL（SITL+MAVProxy）
ArduPilot 软件在环仿真SITL（SITL+Mission Planner）
按照上述顺序本想先整理Ardupilot硬件在环仿真，之后再对Ardupilot的代码进行深入分析，但在实现Ardupilot硬件在环仿真中发现目前论坛上所提供的硬件在环方式有如下几种：

• x-plane + QGroundControl 或是 X-Plane + Missionplanner（1.3.10）
  
• flightgear + Missionplanner
  
• JSBSim + QGroundControl
  

这几种方案在实际仿真过程中都会有很多问题，之后我会单独写文章介绍每种方案仿真过程。而上述方案都具有相同的缺点，首先飞机模型不是我们自己，很难去修正或是更改参数，另外都需要使用之前Ardupilot固件，当前最先Ardupilot已经不包含确切的说是不支持硬件在环仿真（在源码中还能看到部分硬件在环的代码）。这样硬件在环并不是有效可控的，对于无人机飞控的研究帮助不大，所以需要实现自主可控硬件在环方案。
对于固定翼无人机来说，硬件在环仿真就是将飞行模型生成的传感数据（GPS、罗盘、地磁、高度、空速等）通过某种方式注入到硬件飞控上，并将飞控输出控制指令（升降舵、副翼、方向舵、油门等）回传飞行模型进行迭代计算。而注入和回传数据通过串口实现是最为简单的，所以先整理Ardupilot串口代码，分析Ardupilot中串口的实现方法。
串口代码解析（如何在Ardupilot框架下使用串口）

我认为对Ardupilot的代码的理解可以分为两个层面：一个层面，可以在Ardupilot的框架下使用外设，另一个层面，从飞控硬件出发分析串口如何建立的。
现在从固定翼Ardupilot代码开始分析，不深入到ChibiOS如何运行等细节。对于固定翼Ardupilot从基类的Plane::setup()开始执行，之后由Plane::loop()建立周期任务循环。在Plane::setup()中使用init_ardupilot()初始化外设。



Arduplane.cpp

init_ardupilot在同目录下的system.cpp中，分别使用serial_manager.init_console()和serial_manager.init()来初始化串口。



system.cpp



system.cpp

这两个函数在APSerialManager.cpp中分别初始化不同串口，init_console()中初始化串口A，在pixhawk中此串口为USB串口并绑定地面站，init(）中初始化其余串口。



AP_SerialManager.cpp



AP_SerialManager.cpp

有上面代码可见，init_console()初始化uartA，波特率为115200 （AP_SERIALMANAGER_ CONSOLE_BAUD），接收缓冲区为128（AP_SERIALMANAGER_CONSOLE_BUFSIZE _RX），发送缓冲区为128（AP_SERIALMANAGER_CONSOLE_BUFSIZE_TX）。
init()中初始化uartB、uartC、uartD、uartE、uartF和uartG，若此时uartA没有初始化，会重新初始化uartA。串口uartB和串口uartE一般为主GPS和从GPS，串口uartC和uartD一般为主数传和从数传。init()函数内在switch(state.protocol)中根据state中设置的参数进行串口配置。举一个例子，uartB通常作为主GPS的接口，下面看一下设置过程。首先通过AP_GROUPINFO初始化参数，此参数可以通过地面站进行配置。



AP_SerialManager.cpp

配置state[3].protocol为Serialprotocol_GPS，波特率设置为AP_SERIALMANGER_GPS _BAUD。而在init()函数中在switch(state.protocol)通过查询这些参数设置，来配置串口。


之后，传感器后台也通过state.protocol来查询传感器对应的串口。现在串口已经配置完成，下一步我们看一下可以通过什么API来使用串口。串口驱动对应为libraries/AP_HAL_ ChibiOS/UARTDriver.cpp，可以发现基本串口的控制API如下：
    uint32_t available() //获取有效数据数量
    int16_t read() //读取一个数据
    size_t write(uint8_t c) //发送一个数据
    size_t write(const uint8_t *buffer, size_t size) //发送一帧数据通过上述API我就可以控制串口收发，下面看GPS的部分代码，先是通过available()函数确定有效数据个数，之后按照获取的数据个数依次读取串口数据，并且将每个数据输入的_decode函数进行解码。


_decode函数在串行数据流中查找帧头、校验字分别进行处理，最后通过_term_complete()解析出GPS模块发送过来数据。


参考文档

• APM飞控学习之路：5 串口概述与收发调试
  
• Ardupilot设备驱动 IIC、SPI、USART
  
• Ardupilot 串口代码学习