STM32实现SBUS协议解析与编码

STM32实现完整SBUS协议解析与编码

在无人机、航模和遥控设备的嵌入式开发中，如何高效、可靠地获取遥控指令始终是一个核心问题。传统的PWM信号需要为每个通道单独布线，系统复杂度高；而PPM虽然实现了多通道复用，但抗干扰能力弱、精度有限。相比之下，Futaba推出的SBUS协议凭借其数字化串行传输、高抗干扰性以及支持多达16个模拟通道的能力，逐渐成为飞控系统的主流选择。

随着开源飞控（如Pixhawk、Betaflight）的普及，越来越多开发者采用STM32作为主控芯片来构建自主控制系统。幸运的是，STM32系列MCU不仅具备强大的实时处理能力，其UART外设还原生支持SBUS所需的关键特性——反相逻辑、偶校验、DMA接收和空闲中断检测。这使得我们完全可以通过软件方式，在不依赖专用解码芯片的前提下，实现SBUS协议的 完整解析与编码 。

这意味着什么？你可以让STM32直接读取遥控接收机的数据，也可以让它“伪装”成一个遥控发射机向飞控发送指令；甚至可以开发SBUS中继器、转接模块或自动化测试平台。这种灵活性极大提升了系统的集成度与可扩展性。

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SBUS本质上是一种特殊的异步串行通信协议，物理层基于 反相逻辑的UART ，波特率固定为 100,000 bps ，数据格式为8E1（8位数据、偶校验、1位停止）。所谓“反相”，是指逻辑‘0’对应高电平，逻辑‘1’对应低电平，空闲状态为高电平。这一设计增强了长距离传输时的稳定性，尤其适合配合差分驱动电路（如RS485）使用。

每帧SBUS数据包含25个字节，典型刷新周期为7ms（约140Hz），最短可达5ms，最长可达24ms，具体取决于遥控器设置。整个帧结构紧凑且高度优化：

• 第0字节 ：起始标志 0x0F
• 第1~22字节 ：打包存储16个通道的11位模拟值（共176位）
• 第23字节 ：包含两个数字通道S1/S2、帧丢失标志（Frame Lost）、失效保护激活标志（Failsafe Active）
• 第24字节 ：XOR校验字节

值得注意的是，这些11位通道数据并不是按字节对齐存放的，而是以 LSB优先 的方式进行“位打包”（bit packing），跨字节连续排列。例如Channel 1从Byte1的bit0开始，占用接下来的11个位，可能跨越到下一个字节。这种压缩方式显著提高了带宽利用率，但也给解析带来了挑战。

此外，SBUS通信依赖于一个关键机制： Break信号 。每一帧之前必须有一段至少2ms的持续低电平（即逻辑‘1’因反相表现为低），用于标识新帧的开始。接收端需先检测该Break信号，再启动后续25字节的接收流程。发送端则必须主动产生这个Break，不能仅靠UART常规发送完成。

对于状态信息而言，第23字节中的 Frame Lost 和 Failsafe Active 标志尤为重要。一旦检测到丢帧或进入保护模式，飞控应立即采取安全策略，比如缓慢降落或多旋翼平稳悬停，避免失控事故。

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STM32之所以能胜任SBUS协议的软实现，得益于其USART/UART模块的高级功能支持。特别是F4、L4、G0等系列，提供了以下关键特性：

• 输入/输出极性反转 ：通过 UART_ADVFEATURE_RXINV_ENABLE 等配置，无需外加反相器即可适配SBUS电平；
• 偶校验支持 ：硬件自动校验，提升数据可靠性；
• IDLE线检测中断 ：可用于精确捕捉帧间间隔，判断一帧是否接收完毕；
• DMA双缓冲接收 ：避免频繁中断，降低CPU负载；
• 灵活波特率生成 ：APB时钟分频可精准达到100k波特率。

当然，并非所有STM32型号都支持引脚电平反相。若所用MCU不支持此功能，有两种解决方案：一是外接非门芯片（如74HC04）做硬件反相；二是软件模拟反相逻辑——但这会大幅增加处理开销，不推荐用于高频应用。

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要实现SBUS接收功能，核心思路是利用 DMA + IDLE中断 组合，构建一个高效的无中断接收架构。传统逐字节中断方式在140Hz更新率下会产生过多中断请求，影响系统实时性。而DMA配合IDLE中断可在几乎不占用CPU的情况下完成整帧捕获。

具体流程如下：

1. 配置UART为100k波特率、8E1格式，启用RX和DMA接收；
2. 开启IDLE中断，用于检测帧结束（即Break前的静默期）；
3. 设置双缓冲DMA，循环接收25字节数据块；
4. 当IDLE中断触发时，说明当前缓冲区已收完一帧；
5. 切换DMA目标缓冲区并重启接收，同时标记数据就绪；
6. 在主循环或任务中调用解包函数处理最新数据。

以下是基于HAL库的关键初始化代码：

UART_HandleTypeDef huart2;
DMA_HandleTypeDef hdma_usart2_rx;

uint8_t sbus_rx_buffer[2][25]; // 双缓冲
volatile uint8_t sbus_dma_buf_index = 0;
volatile uint8_t sbus_data_ready = 0;

void SBUS_UART_Init(void) {
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 100000;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_EVEN;
    huart2.Init.Mode = UART_MODE_RX;
    huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart2.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_RXINVERT_INIT;
    huart2.AdvancedInit.RxPinLevelInvert = UART_ADVFEATURE_RXINV_ENABLE;

    HAL_UART_Init(&huart2);

    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart2, UART_IT_IDLE);
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, sbus_rx_buffer[0], 25);
}

中断服务例程负责切换缓冲区并通知主程序有新数据到达：

void USART2_IRQHandler(void) {
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart2, UART_FLAG_IDLE)) {
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart2);
        HAL_UART_DMAStop(&huart2);

        uint32_t remain = __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart2_rx);
        sbus_dma_buf_index = (remain == 0) ? 0 : 1;
        sbus_data_ready = 1;

        // 立即重启DMA到另一缓冲区
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, sbus_rx_buffer[1 - sbus_dma_buf_index], 25);
    }
}

收到数据后，最关键的一步是 位解包 。由于11位通道数据是非对齐存储的，必须通过位运算逐个提取。下面是一个高效且通用的解析函数：

int16_t channels[16];
uint8_t failsafe = 0, frame_lost = 0;

void parse_sbus(uint8_t *buffer) {
    if (buffer[0] != 0x0F) return; // 起始字节错误

    uint8_t xor_check = 0;
    for (int i = 0; i < 24; i++) xor_check ^= buffer[i];
    if (xor_check != buffer[24]) return; // XOR校验失败

    uint16_t raw_bits = 0;
    int bit_offset = 0;

    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        int byte_pos = 1 + (bit_offset >> 3); // 当前起始字节
        int bit_shift = bit_offset & 7;       // 字节内偏移

        raw_bits = buffer[byte_pos] >> bit_shift;
        if (bit_shift > 5) { // 跨越下一个字节
            raw_bits |= buffer[byte_pos + 1] << (8 - bit_shift);
        }

        channels[i] = raw_bits & 0x7FF; // 提取低11位
        bit_offset += 11;
    }

    uint8_t status = buffer[23];
    failsafe = (status >> 3) & 0x01;
    frame_lost = (status >> 2) & 0x01;
}

这段代码的核心在于动态计算每一个11位字段所在的字节位置和位偏移，确保即使跨字节也能正确拼接。实践中建议在主循环中定期检查 sbus_data_ready 标志，调用 parse_sbus() 处理最新帧，并及时重置标志位。

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反过来，如果想让STM32充当SBUS发射机，则需要解决两个难点：一是正确打包11位通道数据，二是生成符合规范的Break信号。

标准UART无法直接发送Break（持续低电平），因此通常的做法是 临时将TX引脚切换为GPIO推挽输出并强制拉低 约2ms，然后再切回UART模式发送数据帧。

以下是一个实用的Break信号生成函数：

void send_sbus_break(void) {
    GPIO_InitTypeDef gpio = {0};

    // 暂时禁用UART
    __HAL_UART_DISABLE(&huart2);

    // 将TX引脚设为推挽输出
    gpio.Pin = GPIO_PIN_2;
    gpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET); // 拉低2ms
    HAL_Delay(2);

    // 恢复UART功能
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_2);
    __HAL_UART_ENABLE(&huart2);
}

随后进行SBUS帧的编码。注意位打包的方向要与接收端一致：

uint8_t tx_buffer[25];

void encode_sbus(int16_t *ch, uint8_t s1, uint8_t s2, uint8_t lost, uint8_t fail) {
    memset(tx_buffer, 0, 25);
    tx_buffer[0] = 0x0F; // 起始字节

    uint32_t shift = 0;
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        uint16_t val = ch[i] & 0x7FF;
        int byte_idx = 1 + (shift / 8);
        int bit_pos = shift % 8;

        tx_buffer[byte_idx] |= (val << bit_pos);
        if (bit_pos >= 5) { // 超出当前字节剩余空间
            tx_buffer[byte_idx + 1] |= (val >> (8 - bit_pos));
        }
        shift += 11;
    }

    // 设置状态字节
    tx_buffer[23] = 0;
    if (s1) tx_buffer[23] |= (1 << 0);
    if (s2) tx_buffer[23] |= (1 << 1);
    if (lost) tx_buffer[23] |= (1 << 2);
    if (fail) tx_buffer[23] |= (1 << 3);

    // XOR校验
    uint8_t chk = 0;
    for (int i = 0; i < 24; i++) chk ^= tx_buffer[i];
    tx_buffer[24] = chk;
}

void send_sbus_frame(void) {
    send_sbus_break();
    HAL_UART_Transmit(&huart2, tx_buffer, 25, 10);
    HAL_Delay(5); // 维持最小间隔
}

实际使用时，可在定时器中断或RTOS任务中周期调用 send_sbus_frame() ，实现稳定的SBUS输出。

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在真实系统中，SBUS常用于连接遥控接收机与飞控主控。典型的架构如下：

[遥控器] → [SBUS接收机] → [STM32飞控] → [PID控制] → [ESC/PWM输出]

此时STM32作为接收端，解析油门、俯仰、横滚、偏航等通道数据，供飞行控制算法使用。而在地面站调试或自动测试场景中，STM32又可作为发送端，模拟遥控输入注入飞控，实现遥控接管或故障恢复测试。

相比传统方案，纯软件实现SBUS的优势非常明显：
- 节省硬件成本 ：无需额外的SBUS解码IC；
- 提高系统可靠性 ：减少外部元件数量，降低故障点；
- 增强可维护性 ：所有逻辑集中于MCU，便于升级和调试；
- 支持双向通信 ：同一接口既可收也可发，适用于中继、桥接等复杂拓扑。

不过也需注意一些工程细节：
- Break时间不宜过短（建议2~3ms），否则接收端可能无法识别；
- 接收端应加入超时机制，防止长时间无有效帧导致控制死锁；
- 若使用不支持极性反转的STM32型号，务必添加硬件反相电路；
- 长距离传输时建议加入TVS二极管或光耦隔离，防止静电损坏UART引脚；
- 不同厂商SBUS实现略有差异，最好进行实机联调验证兼容性。

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将SBUS协议完整移植到STM32平台，不仅是技术上的突破，更是系统设计思路上的跃迁。它让我们摆脱了对专用芯片的依赖，真正实现了“软定义通信”。无论是打造高性能飞控、开发遥控仿真器，还是构建智能中继设备，这项能力都提供了坚实的基础。

未来，结合FreeRTOS等实时操作系统，可进一步实现多任务调度下的SBUS处理——例如一个任务负责接收遥控数据，另一个任务生成遥测反馈，再通过DMA和中断机制协同工作，全面提升系统的响应速度与稳定性。更进一步，还可将其整合进MAVLink生态，实现遥控、遥测、导航一体化管理，推动嵌入式控制系统向智能化、模块化方向持续演进。