PX4串口驱动的三种方式：系统级操作、task/work_queue、类似PX4IO中断响应

2023-05-16

因为项目需要，需在px4实现与stm32F407串口通信功能，以200Hz双工交互数据，所以探究了3种不同的串口驱动方式。三种方式概况参考了AcmeUavs公众号的文章：PX4-6-串口设备驱动，本篇主要详细记录自己摸索3种方式的过程。

其中第三部分从底层实现硬件级别串口中断+DMA不定长接收未在网上找到相关实现教程，具有比较大的参考意义。

- 利用Linux系统接口+task任务
- - 基本操作
  - - 初始化串口句柄
    - 设置波特率
    - read/write读取或者写入
    - poll实现类似中断的读取
  - 一些注意的事情
  - - 另一个神奇的配置串口的地方
    - 读取超长数据时的处理
  - 测试结果
- 利用Linux系统接口+work_queue队列
- - TFMINI代码分析
  - 优先级问题
  - 测试结果
- 从底层实现硬件级别串口中断+DMA不定长接收
- - 单片机配置UART+DMA不定长接收
  - 使用的寄存器、函数
  - 配置硬件级别串口中断+DMA不定长接收
  - 测试结果
- 致谢

利用Linux系统接口+task任务

这个是网上实现方式最多的，可以参考以下文章：
Pixhawk—通过串口方式添加一个自定义传感器（超声波为例）
Pixhawk原生固件PX4之串口读取信息
在源代码中，主要可以参考的有：

PX4-Autopilot\src\systemcmds

其中
test_uart_baudchange.c
test_uart_break.c
test_uart_console.c
test_uart_loopback.c
test_uart_send.c
都可以作为参考。

基本操作

利用这种方式调用串口就几件事情：

初始化一个串口句柄
初始化波特率
调用write/read写入、读取
利用poll实现类似中断的读取

初始化串口句柄

int serial_fd = open(uart_name, O_RDWR|O_NOCTTY  |O_DIRECT | O_NONBLOCK);

返回的int值就是fd句柄，可以用在其他函数中。
参数uart_name就是Linux系统路径下的串口路径，Pixhawk4上面唯一空闲的就是"/dev/ttyS3"，也即单片机硬件串口UART4
其余的串口路径可以参考

	/*
	 * TELEM1 : /dev/ttyS1
	 * TELEM2 : /dev/ttyS2
	 * GPS    : /dev/ttyS3
	 * NSH    : /dev/ttyS5
	 * SERIAL4: /dev/ttyS6
	 * N/A    : /dev/ttyS4
	 * IO DEBUG (RX only):/dev/ttyS0
	 */

设置波特率

设置波特率可以参考test_uart_break.c中#101行

	/* Set baud rate */
	//对于波特率的设置通常使用cfsetospeed和cfsetispeed函数来完成。获取波特率信息是通过cfgetispeed和cfgetospeed函数来完成的。
	if (cfsetispeed(&uart2_config, B9600) < 0 || cfsetospeed(&uart2_config, B9600) < 0) {
		printf("ERROR setting termios config for UART2: %d\n", termios_state);
		ret = ERROR;
		goto cleanup;
	}

	if ((termios_state = tcsetattr(uart2, TCSANOW, &uart2_config)) < 0) {
		printf("ERROR setting termios config for UART2\n");
		ret = termios_state;
		goto cleanup;
	}

将其封装为自己的函数，直接调用就可以读取，其中fd就是我们刚才返回的serial_fd：

int set_uart_baudrate(const int fd, unsigned int baud)
{
	int speed;

	switch (baud) {
	case 9600:   speed = B9600;   break;

	case 19200:  speed = B19200;  break;

	case 38400:  speed = B38400;  break;

	case 57600:  speed = B57600;  break;

	case 115200: speed = B115200; break;

	case 460800: speed = B460800; break;

	case 921600: speed = B921600; break;

	case 1000000: speed = B1000000; break;

	default:
		warnx("ERR: baudrate: %d\n", baud);
		return -EINVAL;
	}

	struct termios uart_config;

	int termios_state;

	/* 以新的配置填充结构体 */
	/* 设置某个选项，那么就使用"|="运算，
	 * 如果关闭某个选项就使用"&="和"~"运算
	 * */
	tcgetattr(fd, &uart_config); // 获取终端参数

	/* clear ONLCR flag (which appends a CR for every LF) */
	uart_config.c_oflag &= ~ONLCR;// 将NL转换成CR(回车)-NL后输出。

	/* 无偶校验，一个停止位 */
	uart_config.c_cflag &= ~(CSTOPB | PARENB);// CSTOPB 使用两个停止位，PARENB 表示偶校验

	/* 设置波特率 */
	if ((termios_state = cfsetispeed(&uart_config, speed)) < 0) {
		warnx("ERR: %d (cfsetispeed)\n", termios_state);
		return false;
	}

	if ((termios_state = cfsetospeed(&uart_config, speed)) < 0) {
		warnx("ERR: %d (cfsetospeed)\n", termios_state);
		return false;
	}

	// 设置与终端相关的参数，TCSANOW 立即改变参数
	if ((termios_state = tcsetattr(fd, TCSANOW, &uart_config)) < 0) {
		warnx("ERR: %d (tcsetattr)\n", termios_state);
		return false;
	}

	return true;
}

read/write读取或者写入

还是几件事情：先初始化一个u8/char数组作为缓存，然后read或者write
read就是第一个参数写串口句柄，第二个写缓存数组首地址指针，第三个写要放进去多少字节

	char rxdata[40]={0};
	read(UART4, data, 20);

write类似，第一个参数写串口句柄，第二个写发送的缓存数组首地址指针，第三个写要发出去多少字节

	char txdata[40]={0};
	write(UART4, data, 20);

poll实现类似中断的读取

此处pollfd先写入监视句柄、监视动作POLLIN，然后在死循环中反复利用poll()读取是否有更新，timeout是超时等待时长


   	pollfd fds[1];
	fds[0].fd = _serial_fd;
	fds[0].events = POLLIN;
	
	while(1){
		int ret = poll(fds, sizeof(fds) / sizeof(fds[0]), timeout);
	
		if (ret > 0) {
			/* if we have new data from GPS, go handle it */
			if (fds[0].revents & POLLIN) {
		          ...
		          //处理数据，read之类
		    }
	  	}
	}

一些注意的事情

另一个神奇的配置串口的地方

PX4-Autopilot\boards\px4\fmu-v5\nuttx-config\nsh\defconfig

CONFIG_UART4_BAUD=1000000
CONFIG_UART4_RXBUFSIZE=40
CONFIG_UART4_RXDMA=y
CONFIG_UART4_TXDMA=y
CONFIG_UART4_TXBUFSIZE=40

在这里写会有奇效，比如默认是没有TXDMA的，加上后会改善一丢丢CPU占用
没加入TXDMA=y：
没加入RXDMA
加入TXDMA=y：
在这里插入图片描述

读取超长数据时的处理

如果读取特别长的数据，在poll触发后立刻读取，会产生只能读到开头一部分的问题，参考gps驱动中的驱动，发现其根据波特率、读取数据长度计算了传输时间，进行了微妙量级的等待后再进行read，具体代码如下：

	pollfd fds[1];
	fds[0].fd = _serial_fd;
	fds[0].events = POLLIN;

	int ret = poll(fds, sizeof(fds) / sizeof(fds[0]), math::min(max_timeout, timeout));

	if (ret > 0) {
		/* if we have new data from GPS, go handle it */
		if (fds[0].revents & POLLIN) {
			/*
			 * We are here because poll says there is some data, so this
			 * won't block even on a blocking device. But don't read immediately
			 * by 1-2 bytes, wait for some more data to save expensive read() calls.
			 * If we have all requested data available, read it without waiting.
			 * If more bytes are available, we'll go back to poll() again.
			 */
			const unsigned character_count = 32; // minimum bytes that we want to read
			unsigned baudrate = _baudrate == 0 ? 115200 : _baudrate;
			const unsigned sleeptime = character_count * 1000000 / (baudrate / 10);
			px4_usleep(sleeptime);
			ret = ::read(_serial_fd, buf, buf_length);

		} else {
			ret = -1;
		}
	}

其中重点就在于这一行计算等待时间：

const unsigned sleeptime = character_count * 1000000 / (baudrate / 10);

测试结果

可以做到400Hz下数据一个不丢，但是数据间隔不整齐，意味着实时性比较差。

利用Linux系统接口+work_queue队列

这个资料相对少了很多，主要可以参考PX4里面的这个代码

PX4-Autopilot\src\drivers\distance_sensor\tfmini

串口只有在调度周期达到时尝试读取一次，没有获取到数据则直接返回，这样读取延时最大为一个调度周期。

TFMINI代码分析

模块入口，用来和nsh命令行交互

src/drivers/distance_sensor/tfmini/tfmini_main.cpp

解码程序，使用状态机思路解码

src/drivers/distance_sensor/tfmini/tfmini_parser.cpp

真正读取实现文件

src/drivers/distance_sensor/tfmini/TFMINI.cpp

在读取实现中，较为重要的是初始化绑定串口，其中serial_port_to_wq是预先为我们定义好的，传入参数为上文提到的Linux串口路径，例如"/dev/ttyS3"：

TFMINI::TFMINI(const char *port, uint8_t rotation) :
	ScheduledWorkItem(MODULE_NAME, px4::serial_port_to_wq(port))

设置读取间隔：

void
TFMINI::start()
{
	// schedule a cycle to start things (the sensor sends at 100Hz, but we run a bit faster to avoid missing data)
	ScheduleOnInterval(5_ms);
}

另一个比较重要的是真正收集数据的collect()函数，略去了不太重要的部分，解释写在注释中

int
TFMINI::collect()
{
	// clear buffer if last read was too long ago
	int64_t read_elapsed = hrt_elapsed_time(&_last_read);

	// the buffer for read chars is buflen minus null termination
	char readbuf[sizeof(_linebuf)] {};
	unsigned readlen = sizeof(readbuf) - 1;

	int ret = 0;
	float distance_m = -1.0f;

	// 类似中断环形，bytes_available告诉我们有多少读入缓存等待处理
	int bytes_available = 0;
	::ioctl(_fd, FIONREAD, (unsigned long)&bytes_available);

	// parse entire buffer
	const hrt_abstime timestamp_sample = hrt_absolute_time();

	do {
		// read from the sensor (uart buffer)
		ret = ::read(_fd, &readbuf[0], readlen);

		if (ret < 0) {
			//错误情况下处理，略去
		}

		_last_read = hrt_absolute_time();

		// 解码
		for (int i = 0; i < ret; i++) {
			tfmini_parse(readbuf[i], _linebuf, &_linebuf_index, &_parse_state, &distance_m);
		}

		// bytes left to parse
		bytes_available -= ret;

	} while (bytes_available > 0);

	// publish uorb
	_px4_rangefinder.update(timestamp_sample, distance_m);
	return PX4_OK;
}

至此，其他部分照抄应该就可以实现我们自己的队列读入程序了

优先级问题

上面提到了serial_port_to_wq，跟踪到：

platforms/common/include/px4_platform_common/px4_work_queue/WorkQueueManager.hpp

如果把末尾那个数字设置的太小，usart本身优先级就不高，那实时性就无从保证，所以要提高其优先级
在这里插入图片描述

测试结果

可以做到200Hz下数据间隔较为整齐，但是再提高频率就要加快扫描频率，且占用CPU会随频率升高而增加。

从底层实现硬件级别串口中断+DMA不定长接收

这个就是复现了PX4FMU和PX4IO两个芯片的通信手段，直接从底层下手解决问题，完全绕开操作系统，实时性最好，但是难度也最大。
首先分析一下PX4IO的结构，其中相关代码在：
小单片机PX4IO：

PX4-Autopilot\src\modules\px4iofirmware\serial.c

主单片机PX4FMU：

PX4-Autopilot\src\drivers\px4io\px4io_serial.cpp
PX4-Autopilot\platforms\nuttx\src\px4\stm\stm32f7\px4io_serial\px4io_serial.cpp

这两组文件是我们主要参考来源，但是存在一个矛盾，就是我们的串口要添加在FMU的F7单片机上，硬件寄存器操作会类似于FMU中的代码，而FMU为了实习这一功能进行了复杂的类继承，不利于参考；而小单片机使用了F1系列，代码简单但是和F7系列寄存器不兼容，没法照搬。

单片机配置UART+DMA不定长接收

所以我们回到最基本的单片机使用串口+DMA接收不定长数据上来，其基本原理包括：

初始化串口、DMA（时钟、管脚、DMA到串口stream映射等）
初始化串口IDLE空闲中断

具体可以参考，第二篇非常好
STM32F4 UART1 DMA发送和接收不定长度数据
DMA和UART的深刻认识–串口接收的3种工作方式（附STM32F4代码）

这两篇文章虽然都是F4的，但是F4和F7在这里的寄存器差别不是那么大，有部分参考意义。

使用的寄存器、函数

此外，由于Nuttx对于F7的支持并非使用了HAL库而是直接操作寄存器，所以有必要研究一下其支持方式。

有关USART寄存器的宏定义在：

PX4-Autopilot\build\px4_fmu-v5_default\NuttX\nuttx\arch\arm\src\stm32f7\hardware\stm32f74xx77xx_uart.h

有关DMA寄存器的宏定义在：

PX4-Autopilot\build\px4_fmu-v5_default\NuttX\nuttx\arch\arm\src\stm32f7\hardware\stm32f76xx77xx_dma.h

需要注意的是，这里需要根据直接使用的硬件版本来寻找文件，此外，也需要make一下才有这些文件。

其中串口使用到的主要寄存器有，将其定义为自定义宏：

#define F4REG(_x) (*(volatile uint32_t *)(F4IO_SERIAL_BASE + (_x)))
#define F4rISR F4REG(STM32_USART_ISR_OFFSET)
#define F4rISR_ERR_FLAGS_MASK (0x1f)
#define F4rICR F4REG(STM32_USART_ICR_OFFSET)
#define F4rRDR F4REG(STM32_USART_RDR_OFFSET)
#define F4rTDR F4REG(STM32_USART_TDR_OFFSET)
#define F4rBRR F4REG(STM32_USART_BRR_OFFSET)
#define F4rCR1 F4REG(STM32_USART_CR1_OFFSET)
#define F4rCR2 F4REG(STM32_USART_CR2_OFFSET)
#define F4rCR3 F4REG(STM32_USART_CR3_OFFSET)
#define F4rGTPR F4REG(STM32_USART_GTPR_OFFSET)

其中主要操作ICR中断寄存器，CR1、CR3串口配置寄存器

对于DMA，有部分封装函数可以使用，在

PX4-Autopilot\platforms\nuttx\NuttX\nuttx\arch\arm\src\stm32f7\stm32_dma.c

主要使用了

//映射DMA通道到UART
DMA_HANDLE stm32_dmachannel(unsigned int chan);
//配置DMA设置
void stm32_dmasetup(DMA_HANDLE handle, uint32_t paddr, uint32_t maddr,
                    size_t ntransfers, uint32_t ccr);
//启动DMA
void stm32_dmastart(DMA_HANDLE handle, dma_callback_t callback, void *arg,
                    bool half);

对于没有函数封装部分，主要使用了寄存器：

#define STM32_DMA1_S2CR           (STM32_DMA1_BASE+STM32_DMA_S2CR_OFFSET)

此外，为了操作寄存器，还使用了封装函数：

void modifyreg32(unsigned int addr, uint32_t clearbits, uint32_t setbits)

就是对addr处寄存器，&= ~clearbits，|= setbits。达到赋值和清除的目的。

配置硬件级别串口中断+DMA不定长接收

所以可以进行相关配置操作：

/* 声明DMA句柄 */
static DMA_HANDLE F4rx_dma;
static DMA_HANDLE F4tx_dma;

int interface_init(void)
{
	/* 配置DMA通道到UART4 */
	F4tx_dma = stm32_dmachannel(F4IO_SERIAL_TX_DMAMAP);
	F4rx_dma = stm32_dmachannel(F4IO_SERIAL_RX_DMAMAP);

	if ((F4rx_dma == NULL)|(F4tx_dma == NULL))
	{
		return -1;
	}
	/*配置接收DMA*/
	stm32_dmasetup(
		F4rx_dma,
		(F4IO_SERIAL_BASE + STM32_USART_RDR_OFFSET),
		(uint32_t)(&F4IORXBuffer[0]), /* 自定义接收缓存数组首地址 */
		BUFFER_SIZE,			/* 自定义接收缓存数组容量 */
		DMA_SCR_CIRC		|	/* 循环模式 */
		DMA_SCR_DIR_P2M		|	/* 硬件到内存方向 */
		DMA_SCR_MINC		|
		DMA_SCR_PSIZE_8BITS	|
		DMA_SCR_MSIZE_8BITS	|
		DMA_SCR_PBURST_SINGLE|
		DMA_SCR_MBURST_SINGLE
		);
	/**/
	stm32_dmastart(F4rx_dma, _dma_callback, NULL, false);
	/*配置发送DMA*/
	stm32_dmasetup(
		F4tx_dma,
		F4IO_SERIAL_BASE + STM32_USART_TDR_OFFSET,
		(uint32_t)F4IOTXBuffer, /* 自定义发送缓存数组首地址 */
		14,						/* 自定义发送缓存数组容量 */
		DMA_SCR_DIR_M2P		|	/* 内存到硬件方向 */
		DMA_SCR_MINC		|
		DMA_SCR_PSIZE_8BITS	|
		DMA_SCR_MSIZE_8BITS	|
		DMA_SCR_PBURST_SINGLE	|
		DMA_SCR_MBURST_SINGLE);
	/*启动发送DMA*/
	stm32_dmastart(F4tx_dma, NULL, NULL, false);
	/* 启动UART时钟 */
	modifyreg32(F4IO_SERIAL_RCC_REG, 0, F4IO_SERIAL_RCC_EN);

	/* 配置UART物理管脚 */
	px4_arch_configgpio(F4IO_SERIAL_TX_GPIO);
	px4_arch_configgpio(F4IO_SERIAL_RX_GPIO);

	/* 清理寄存器 */
	F4rCR1 = 0;
	F4rCR2 = 0;
	F4rCR3 = 0;

	/* 清理中断寄存器、接收寄存器 */
	if (F4rISR & USART_ISR_RXNE)
	{
		(void)F4rRDR;
	}
	// F4rCR3 = USART_CR3_EIE;

	F4rICR = F4rISR & F4rISR_ERR_FLAGS_MASK; /* clear the flags */

	/* 配置波特率F4IO_SERIAL_BITRATE */
	uint32_t usartdiv32 = (F4IO_SERIAL_CLOCK + (F4IO_SERIAL_BITRATE) / 2) / (F4IO_SERIAL_BITRATE);
	F4rBRR = usartdiv32;

	/* 添加自定义中断函数至UART中断函数 */
	int ret = irq_attach(F4IO_SERIAL_VECTOR, _interrupt, NULL);

	PX4_INFO("RET%i", ret);
	up_enable_irq(F4IO_SERIAL_VECTOR);
	/* 配置UART为DMA收发模式 */
	F4rCR3 |= USART_CR3_DMAR;
	F4rCR3 |= USART_CR3_DMAT;

	/* 配置UART中断模式 */
	F4rCR1 = USART_CR1_RE | USART_CR1_TE | USART_CR1_UE | USART_CR1_IDLEIE;

	PX4_INFO("f4io serial init\r\n");
	return 0;
}

之后写入串口中断配置：

int _interrupt(int irq, void *context, void *arg)
{
	_do_interrupt();
	return 0;
}

void
_do_interrupt()
{
	uint32_t sr = F4rISR;	/* get UART status register */
	if (sr & USART_ISR_IDLE) {
		//PX4_INFO("IDLE");
		//disable DMA
		modifyreg32(STM32_DMA1_S2CR,((uint32_t)0x00000001),0);
		if (sr & USART_ISR_RXNE) {
			(void)F4rRDR;	/* read DR to clear RXNE */
		}
		/*自定义处理数据代码*/
		//enable DMA
		modifyreg32(STM32_DMA1_S2CR,0,((uint32_t)0x00000001));
		F4rICR = sr & F4rISR_ERR_FLAGS_MASK;	/* clear flags */
	}
}

其中需要注意的是，如果不写下面这些也能用，但是会把缓存变成ring buffer模式，继下一次数据跟在上一次数据屁股后面，到头了又从缓存数组头部续写，给读取造成了一定麻烦。

modifyreg32(STM32_DMA1_S2CR,((uint32_t)0x00000001),0);
modifyreg32(STM32_DMA1_S2CR,0,((uint32_t)0x00000001));

至此，只需要自定义一个module task，在其中调用上面函数就可以配置自己的硬件外设中断了

测试结果

从下图可以看到这种实现方式几乎不占用CPU时间。
在这里插入图片描述
而且接收的数据实时性非常好，即便在400Hz的数据接收频率下，间隔也几乎做到了μs量级误差（单位μs）

致谢

特别感谢PX4 User Group 🇨🇳Beijing群聊中的
@天蓝
@wj - 港科
@小火炉
等几位大佬

本文内容由网友自发贡献，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容，请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)