STM32F103基于串口DMA实现多摩川编码器数据采集

最新推荐文章于 2025-03-18 14:28:19 发布
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分类专栏： STM32 文章标签： stm32 嵌入式硬件 单片机
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1.多摩川协议格式介绍

1.1 多摩川协议概述

多摩川通讯协议是一种基于RS485接口的串行通讯协议，采用差分两线制，通讯波特率为2.5Mbps，数据长度为8位。该协议采用主从模式，由主机发起通讯请求，从机响应主机的请求。

多摩川通讯协议的数据帧由以下几个部分组成：

  • 起始位：一个固定为1的比特，用于标志数据帧的开始。

  • 控制字段 (CF)：4位比特，用于指示数据帧的类型和功能。

  • 状态字段 (SF)：8位比特，用于指示编码器的状态信息。

  • 数据字段 (DF)：17位比特，用于表示编码器的绝对位置信息。

  • 循环冗余校验 (CRC)：16位比特，用于校验数据帧的完整性。

发送数据帧：

接收数据帧：

1.2 协议格式每部分含义

1.2.1 控制字段 (CF)

Start bit：起始位，固定1

Sink code：保留位，固定010

Data ID code+ID parity：决定指令，根据需要确定

根据上述表格，总结指令如下，直接使用就行：

#define DataId0 0x02 /*读取单圈*/
#define DataId1 0x8A /*读取圈数*/
#define DataId2 0x92 /*读取编码器编号*/
#define DataId3 0x1A /*读取单圈+圈数*/
#define DataId6 0x32 /*写EEPROM*/
#define DataIdD 0xEA /*读EEPEOM*/
#define DataId7 0xBA /*重置错误ERROR*/
#define DataId8 0xC2 /*重置圈数*/
#define DataIdC 0x62 /*重置圈数与ERROR*/
 1.2.2 状态字段 (SF)

Start bit：起始位，固定0

Information：4位固定为0

Encoder error：出现smart-Abs错误为1

  • ea0：计数错误

  • ea1：逻辑错误、过热、多轮错误、电池报警

Communication alarm：出现smart-Abs错误为1

  • ca0：奇偶校验错误（CF-cc4）

  • ca1：分隔符错误

Delimiter：固定为1

1.2.3 数据字段 (DF)

根据单片机发出的CF的不同，编码器返回的DF也会随之而不同

Data ID 0（读取单圈位置）：

ABS0~ABS2：表达的是编码器的单圈值，并且因为串口的传输是小端通讯，因此

编码器单圈位置值 = (ABS2 << 16) | (ABS1 << 8) | (ABS0 << 0)

本人采用的编码器是14位的（根据自己采用的编码器决定数值范围，也有17位和32位的编码器），一直向一个方向拧，数值会循环0 ~16383（2^14=16384)

Data ID 1（读取圈数）：

ABM0~ABM2: 表达的是编码器的圈数值

圈数 = (ABM2 << 16) | (ABM1 << 8) | (ABM0 << 0)

Data ID 2（读取编码器编号）：

ENID是编号值

Data ID 3（读取单圈+圈数）：

单圈和圈数的计算见上述

ALMC：编码器错误，每一位表达了不同的错误

Data ID 7（重置错误ERROR）：

Data ID 8（重置圈数）：

Data ID C（重置圈数和错误ERROR）：

1.2.4 循环冗余校验 (CRC)

CRC 校验判断前方的传输是否正确

Start bit：起始值，固定0

CRC code：CRC校验值

编码器采用的是CRC8校验，算法编写思路如下：

  1. 将数据左移8位，后面补0

  2. 和8次幂的生成多项式（X^8+1 -> 0x101 简写成0x01）进行模2运算，得到余数为8位的CRC校验码

代码已经写好了，可以直接拿去使用！

unsigned char CRC8_MAXIM(unsigned char *dat, unsigned int len)
{
    unsigned char crc_value = 0x00, j; //初始值0x00
    unsigned int i;
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        crc_value ^= *dat++;
        for (j = 0; j < 8; j++)
        {
            if (crc_value & 0x80)
            {                                        // LSB最低位比较0x80
                crc_value = (crc_value << 1) ^ 0x01; 
            }
            else
            {
                crc_value = (crc_value << 1);
            }
        }
    }
    return crc_value;
}

1.3 多摩川协议时序要求

根据时序要求，发送和接收之间需要有一定时间间隔，因为每个人的环境都不一样，这个需要大家实际去测试，本人的时间间隔在后面的主逻辑编写中有写，大家可以参考使用，我实际测下来是间隔40us可以正常接收，30us就会丢数据。

好啦，上述是对多摩川协议的一个介绍，下面就正式开始采用STM32编程获取多摩川编码器的数据！

2. STM32编写程序

本人采用的是标准库，并且使用串口的DMA来接收不定长数据

首先配置串口

void RS485_Init(void)
{
    // 1.开启USART和GPIO时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2.GPIO初始化，TX（PA9）配置为输出，RX配置为输入
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    //RS485使能引脚 PA8
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;    // 输入输出使能引脚 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3.配置USART
    USART_InitTypeDef USART_InitStucture;
    USART_InitStucture.USART_BaudRate = 2500000;       // 波特2500000
    USART_InitStucture.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; 
    USART_InitStucture.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;    // 串口模式 发送和接收
    USART_InitStucture.USART_Parity = USART_Parity_No;     // 无校验
    USART_InitStucture.USART_StopBits = USART_StopBits_1;    // 停止位1
    USART_InitStucture.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;    // 字长 8b
    USART_Init(USART1, &USART_InitStucture);

    // 4.开中断 使用串口空闲中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE); // 开启串口接收数据的空闲中断

    /*NVIC分组*/
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 配置NVIC为分组2

    /*NVIC配置*/
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;                      
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;         // 选择配置NVIC的USART1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;           // 指定NVIC线路使能
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 指定NVIC线路的抢占优先级1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;        // 指定NVIC线路的响应优先级1
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);                         

    USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Tx | USART_DMAReq_Rx, ENABLE); // 使能DMA串口发送和接受请求

    // 5.打开USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

 下面配置DMA

void DMA_USARTInit(void)
{
    // 开启DMA时钟
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_DMA1EN, ENABLE);
    // DMA配置
    DMA_DeInit(DMA1_Channel4); // DMA1 通道4，寄存器复位 USART1_Tx
    DMA_DeInit(DMA1_Channel5); // DMA1 通道5，寄存器复位 USART1_Rx
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;

    // RX DMA1 通道5
    DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = RxBufferSize;    // 定义了接收的最大长度
    DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;     // 串口接收，方向是外设->内存
    DMA_InitStruct.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;   //方向是外设到内存，所以关闭内存到内存
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)uart1RecvData; // 存储在uart1RecvData
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; //内存数据宽度，字节长度
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;    // 内存递增，每次串口收到数据存在内存，下次收到自动存储在内存的下一位置
    DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;  // 正常模式 (不循环) 发送由程序控制
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t) & (USART1->DR);  // 发送数据位置，串口
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; // 外设的数据宽度，按照字节存
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  // 发送不递增
    DMA_InitStruct.DMA_Priority = DMA_Priority_High;                     // 优先级
    DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStruct);

    // TX DMA1 通道4
    DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = 0;        // 发送缓冲区的大小，初始化0 不发送
    DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; // 发送是方向外设到内存，内存作为目的地
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)uart1SendData; // 发送内存地址
    DMA_Init(DMA1_Channel4, &DMA_InitStruct);

    DMA_Cmd(DMA1_Channel5, ENABLE);  // 使能接收
    DMA_Cmd(DMA1_Channel4, DISABLE); // 禁止发送
}

串口是采用RS485形式，需要使能RS485控制引脚

void RS485_TxENABLE(void)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_8, Bit_SET); // 485的使能引脚，高电平为使能发
    Delay_us(5);
}

void RS485_RxENABLE(void)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_8, Bit_RESET); // 485的使能引脚，低电平为使能接收
    //Delay_us(5);
}

采用DMA发送

void DMA_Tx(void)
{
    DMA_Cmd(DMA1_Channel4, DISABLE);
    DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel4, TxBufferSize);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel4, ENABLE);
    while (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC4) == RESET)
        ;
    DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC4);
}

串口采用空闲中断接收

void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint16_t clear;

    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) == SET) // 产生空闲中断
    {
        RS485_RXFlag = 1; // 接收一包数据完成
        //Rx_index = RxBufferSize - DMA_GetCurrDataCounter(DMA1_Channel5);
        Rx_index=RxBufferSize-DMA1_Channel5->CNDTR;
        // 清除空闲中断
        clear = USART1->SR;
        clear = USART1->DR;
       // USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_IDLE); 

    }

}

基本配置完成，下面就可以编写主逻辑了

uint8_t uart1RecvData[RxBufferSize]; // 接收数据缓冲
uint8_t uart1SendData[TxBufferSize]; // 发送数据缓冲

uint16_t Rx_index = 0; // 接收数据的长度
uint8_t RS485_RXFlag = 0; // 串口接收的标志位变量

#define RxBufferSize 6
#define TxBufferSize 1

int main(void)
{
	RS485_Init();
    DMA_USARTInit();
    uart1SendData[0]=0x02;//一直发送指令0x02
    RS485_RxENABLE();

    while(1)
    {
        RS485_TxENABLE();
        DMA_Tx();
        Delay_us(3);
        RS485_RxENABLE();
	    Delay_us(40);

        if (RS485_RXFlag == 0)
        {
            RS485_RxENABLE();
        }

        if (RS485_RXFlag == 1)
        {
            RS485_RXFlag = 0;
            Rx_index = 0;
            Rx_Error();
            DMA_Rx();
            DMA_Cmd(DMA1_Channel5, DISABLE);
            DMA1_Channel5->CNDTR = RxBufferSize;
            DMA_Cmd(DMA1_Channel5, ENABLE);
        }
    
    }
}

3. 实际效果

把多摩川编码器连接至单片机上，下载程序发送，可以看到接收回正确数据

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### 使用多摩川编码器与单片机接口及编程方法 #### 接口连接方式 为了使STM32F103能够成功读取来自多摩川编码器的信息，硬件上通常需要借助RS-485转串口模块来建立两者之间的通信链路[^3]。这是因为多摩川编码器一般采用RS-485标准作为其物理层传输介质。 #### 编程要点概述 当涉及到具体编程时，主要任务在于初始化并配置好UART外设以及启用DMA功能以便高效处理接收到的数据流。对于CF（控制字段）、SF（状态字段）、DF（数据字段）的理解至关重要；这些构成了命令帧结构的基础组成部分，在发送请求给编码器或者解析返回的结果包之前都需严格遵循该协议规定[^1]。 #### 数据接收流程说明 在准备就绪之后，可以通过向指定地址写入特定指令字节序列触发一次完整的交互过程——即先发出查询命令再等待回应直至最终捕获有效载荷部分。值得注意的是，每次操作前后都要记得执行CRC校验以确保消息完整性不受破坏。 ```c // 初始化USART和DMA void USART_DMA_Init(void){ // 配置USART参数... // 开启DMA通道... } // 发送命令函数 uint8_t SendCommand(uint8_t *cmd, uint16_t length){ HAL_UART_Transmit(&huart1, cmd, length, 100); return CheckResponse(); } // 检查响应函数 uint8_t CheckResponse(){ uint8_t buffer[64]; HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, buffer, sizeof(buffer)); while (HAL_UART_GetState(&huart1) != HAL_UART_STATE_READY); // 等待接收完成 // 解析buffer中的数据... } ```
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