C++使用serial串口通信 + ROS2程序示例

news2024/10/1 20:43:56

目录

  • 一、通信协议
  • 二、串口调试工具
  • 三、serial库的使用
    • 3.1 安装serial
    • 3.2 serial的使用
    • 3.3 绑定端口
  • 四、串口程序示例


串行接口 (Serial Interface)简称串口(通常指COM接口),是采用串行通信方式的扩展接口,是指数据一位一位地顺序传送,串口通信就要解析这一位一位数据。这里使用的是亚博智能的10轴IMU模块为例介绍C++使用serial串口通信,串口通信有以下重要的数据格式:

  • 波特率是一个衡量通信速度的参数,它表示每秒钟传送的 bit 的个数;
  • 数据位是衡量通信中实际数据位的参数,当计算机发送一个信息包,标准的值是 8 位(也可以是其他,比如5,6,7);
  • 停止位用于表示单个包的最后一位,典型的值为 1,1.5和 2 位,停止位不仅表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会;
  • 奇偶校验位是串口通信中一种简单的检错方式,有四种检错方式——偶、奇、高和低,也可以没有校验位。

一、通信协议

通信协议包括一帧数据的具体含义以及计算方式,使用的IMU模块(自己修改波特率406800)通信协议(部分)如下:
数据是按照16进制方式发送的,不是ASCII码。每个数据帧(不同类型)包含11位(8bit),其中0x55为帧头,第二位TYPE为数据类型,中间8个为数据位,最后一个为检验位。写代码时注意以下三个方面:
(1)通过0x55帧头和第二位TYPE数据类型识别数据帧;
(2)每一个数据分低字节和高字节(千万注意高低顺序)依次传送,二者组合成一个有符号的short类型的数据。例如数据DATA1,其中DATA1L为低字节,DATA1H为高字节。转换方法如下:假设DATA1为实际的数据,DATA1H为其高字节部分,DATA1L为其低字节部分,那么:DATA1=(short)((short)DATA1H<<8|DATA1L)。这里一定要注意DATA1H需要先强制转换为一个有符号的short类型的数据以后再移位,并且DATA1的数据类型也是有符号的short类型,这样才能表示出负数。
(3)通过检验和来检验数据SUMCRC=0x55+TYPE+DATA1L+DATA1H+DATA2L+DATA2H+DATA3L+DATA3H+DATA4L+DATA4H
SUMCRC为char型,取校验和的低8位
在这里插入图片描述
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二、串口调试工具

sudo apt-get install cutecom

选择串口,设置波特率
在这里插入图片描述打开串口,可以查看每一位数据的十六进制和字符格式的数据输出
在这里插入图片描述

三、serial库的使用

3.1 安装serial

对于ROS1来说,可以直接安装ROS版

sudo apt-get install ros-<ros版本>-serial

Cmake配置:

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  serial
)

catkin_package(
  CATKIN_DEPENDS serial
)

target_link_libraries(myserial  ${catkin_LIBRARIES})

但是由于ROS2没有再封装串口库serial,因此需要手动安装serial:

git clone https://github.com/ZhaoXiangBox/serial
cd serial && mkdir build
cmake .. && make
sudo make install

Cmake配置:

set(CMAKE_INSTALL_RPATH /usr/local/lib)
find_package(serial REQUIRED)

ament_target_dependencies(myserial "serial")

3.2 serial的使用

给连接的串口打开权限

sudo chmod 777 /dev/ttyUSB*

(1)首先需要添加serial的头文件

#include "serial/serial.h"

(2)实例化一个对象,之后的操作都是通过对此设置而进行的

serial::Serial serialPort;

(3)串口进行初始化

serialPort.setPort("/dev/ttyUSB0");//选择要开启的串口号
serialPort.setBaudrate(9600);//设置波特率
serial::Timeout _time =serial::Timeout::simpleTimeout(2000);//超时等待
serialPort.setTimeout(_time);

(4)开启串口

serialPort.open();//开启串口

(5)判断一下是否打开了

if(serialPort.isOpen())
{
	ROS_INFO("serial port is open");
}
else 
{
	ROS_ERROR("serial port error");
}

(6)发送数据

先设置一个数组,注意数组类型一定是uint8_t类型的

uint8_t  senddata[要发送数据的长度]={1};

定义好数组之后我们就可以给单片机发送数据了

serialPort.write(senddata,sizeof(senddata));//两个参数,第一个参数是要发送的数据地址,第二个数据是要发送数据的长度

(7)接收下位机的数据

先创建一个数组,数组类型也是uint8_t类型的

uint_8 receivedata[要接受数据的长度]={1};

接收数据的函数

serialPort.read(receivedata,sizeof(receivedata));

3.3 绑定端口

一旦出现断电或者重新插拔设备情况,代码就会出现找不到设备或者找错设备的错误,因为端口序号分配是随机的,因此我们需要绑定端口,确保每次插拔端端口一样,不需要修改代码
首先通过插拔两个端口,我们可以lsusb查看端口信息:
在这里插入图片描述
可以看到IMU端口为Bus 001 Device 007: ID 10c4:ea60 Silicon Labs CP210x UART Bridge
然后创建imu_usb.rules(随便命名)文件,填写以下内容:

KERNEL=="ttyUSB*", ATTRS{idVendor}=="10c4", ATTRS{idProduct}=="ea60", MODE:="0777", SYMLINK+="imu_usb

然后:

sudo cp imu_usb.rules /etc/udev/rules.d
service udev reload
service udev restart

重新插拔设备,输入以下指令检测绑定端口是否成功

ll /dev/imu_usb

在这里插入图片描述

四、串口程序示例

ROS2节点为例,首先通过串口调试工具可以看到一帧数据:
在这里插入图片描述

通过上面的通信协议以及串口使用方法,编写以下代码:

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <cmath>
#include <serial/serial.h>
#include <sensor_msgs/msg/imu.hpp>
#include <tf2/LinearMath/Quaternion.h>
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"

#define BAUDRATE 460800

// std::atomic_bool 是 C++ 标准库中的原子布尔类型。它是一种特殊的数据类型,用于在多线程环境中进行原子操作。
// 原子操作是指不可中断的操作,要么完全执行,要么完全不执行。std::atomic_bool 类型提供了原子性的读取和写入操作,以确保多个线程对该变量的访问不会导致竞争条件或数据不一致的问题。
std::atomic_bool imu_thread_running;
std::atomic_bool imu_data_ready;
std::vector<uint8_t> buff;
std::vector<int16_t> acceleration(4, 0);
std::vector<int16_t> angularVelocity(4, 0);
std::vector<int16_t> magnetometer(4, 0);
std::vector<int16_t> angle_degree(4, 0);

class IMUDriverNode : public rclcpp::Node
{
public:
    IMUDriverNode(const char *nodeName) : Node(nodeName)
    {
        // 获取串口
        _port_name = this->declare_parameter("~port_name", "/dev/ttyUSB0");
        // 发布IMU数据
        publisher_ = this->create_publisher<sensor_msgs::msg::Imu>("/imu_raw", 10);
        // IMU驱动线程
        imu_thread_ = std::thread(&IMUDriverNode::imuThread, this, _port_name);
    }

    void joinIMUThread()
    {
        imu_thread_.join();
    }

private:
    // IMU驱动线程
    void imuThread(const std::string &port_name)
    {
        // 1 创建串口对象
        serial::Serial imu_serial;
        // 串口初始化
        try
        {
            imu_serial.setPort(port_name);
            imu_serial.setBaudrate(BAUDRATE);
            serial::Timeout timeout = serial::Timeout::simpleTimeout(500);
            imu_serial.setTimeout(timeout);
            imu_serial.open();
            RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "\033[32mSerial port opened successfully...\033[0m");
        }
        catch (const serial::IOException &e)
        {
            RCLCPP_ERROR(this->get_logger(), "Failed to open the IMU serial port.");
            return;
        }

        // Clear the buffer
        imu_serial.flush();

        // 2 循环读取串口数据
        while (rclcpp::ok() && imu_thread_running.load())
        {
            if (imu_serial.available())
            {
                uint8_t data;
                imu_serial.read(&data, 1);
                // 一位一位地添加到队列
                buff.push_back(data);

                // 当大于11个数据位时解析数据,四种数据的第一位均为0x55
                if (buff.size() >= 11 && buff[0] == 0x55)
                {
                    // 获取11位数据
                    std::vector<uint8_t> data_buff(buff.begin(), buff.begin() + 11);
                    // 获取中间数字位
                    std::vector<uint8_t> data(buff.begin() + 2, buff.begin() + 10);
                    // 获取完一帧的标志位
                    bool angle_flag = false;

                    // 加速度数据
                    if (data_buff[1] == 0x51)
                    {
                        // 检查检验和
                        if (checkSum(data_buff))
                            // 获取16位数据
                            acceleration = hexToShort(data);
                        else
                            RCLCPP_WARN(this->get_logger(), "0x51 Check failure.");
                    }
                    // 下面的都类似
                    else if (data_buff[1] == 0x52)
                    {
                        if (checkSum(data_buff))
                            angularVelocity = hexToShort(data);
                        else
                            RCLCPP_WARN(this->get_logger(), "0x52 Check failure.");
                    }
                    else if (data_buff[1] == 0x53)
                    {
                        if (checkSum(data_buff))
                        {
                            angle_degree = hexToShort(data);
                            angle_flag = true;
                        }
                        else
                            RCLCPP_WARN(this->get_logger(), "0x53 Check failure.");
                    }
                    // 实际上没用到
                    else if (data_buff[1] == 0x54)
                    {
                        if (checkSum(data_buff))
                            magnetometer = hexToShort(data);
                        else
                            RCLCPP_WARN(this->get_logger(), "0x54 Check failure.");
                    }

                    buff.clear();

                    // 已经获取角度数据(顺序第三个),可以发布了
                    if (angle_flag)
                    {
                        // 可以输出数据的标志位
                        imu_data_ready.store(true);
                    }
                }
                else if (buff[0] != 0x55)
                {
                    buff.clear();
                }
            }

            if (imu_data_ready.load())
            {
                sensor_msgs::msg::Imu msg;
                msg.header.stamp = this->now();
                msg.header.frame_id = "base_link";

                // 将16数据转化位double
                // Accelerations should be in m/s^2 (not in g's), and rotational velocity should be in rad/sec
                // 加速度X=((AxH<<8)|AxL)/32768*16g(g为重力加速度,可取9.8m/s2)
                msg.linear_acceleration.x = static_cast<double>(acceleration[0]) / 32768.0 * 16 * 9.8;
                msg.linear_acceleration.y = static_cast<double>(acceleration[1]) / 32768.0 * 16 * 9.8;
                msg.linear_acceleration.z = static_cast<double>(acceleration[2]) / 32768.0 * 16 * 9.8;

                // 角速度X=((WxH<<8)|WxL)/32768*2000 °/s
                // 转化为弧度X=((WxH<<8)|WxL)/32768*2000*PI/180 rad/s
                msg.angular_velocity.x = static_cast<double>(angularVelocity[0]) / 32768.0 * 2000 * M_PI / 180;
                msg.angular_velocity.y = static_cast<double>(angularVelocity[1]) / 32768.0 * 2000 * M_PI / 180;
                msg.angular_velocity.z = static_cast<double>(angularVelocity[2]) / 32768.0 * 2000 * M_PI / 180;

                // 滚转角X=((RollH<<8)|RollL)/32768*180 (°)
                // 转化为弧度X=((RollH<<8)|RollL)/32768*180*PI/180=((RollH<<8)|RollL)/32768*PI (rad)
                double roll = static_cast<double>(angle_degree[0]) / 32768.0 * M_PI;
                double pitch = static_cast<double>(angle_degree[1]) / 32768.0 * M_PI;
                double yaw = static_cast<double>(angle_degree[2]) / 32768.0 * M_PI;
                tf2::Quaternion quat;
                quat.setRPY(roll, pitch, yaw);
                // Assign quaternion to msg.orientation
                msg.orientation.x = quat.getX();
                msg.orientation.y = quat.getY();
                msg.orientation.z = quat.getZ();
                msg.orientation.w = quat.getW();

                publisher_->publish(msg);
                imu_data_ready.store(false);
            }
        }
        imu_serial.close();
    }

    // 检验和:四个数据的检验和计算方式是一样的,所以统一写了
    bool checkSum(const std::vector<uint8_t> &data_buff)
    {
        uint8_t sum = 0;
        for (size_t i = 0; i < data_buff.size() - 1; i++)
        {
            sum += data_buff[i];
        }

        // 计算结果是否与输出一致
        return sum == data_buff[data_buff.size() - 1];
    }

    // 解析数据
    std::vector<int16_t> hexToShort(const std::vector<uint8_t> &hex_data)
    {
        std::vector<int16_t> short_data(4, 0);
        for (size_t i = 0; i < hex_data.size(); i += 2)
        {
            // 将两个连续的字节(低位hex_data[i] 和 高位hex_data[i+1])组合为一个 int16_t 类型的数值:千万注意高低顺序,仔细看通讯协议
            // 高位hex_data[i+1]需要先强制转换为一个有符号的short类型的数据以后再移位
            short high = static_cast<int16_t>(hex_data[i + 1]);
            // 左移运算符 << 将 high 的二进制表示向左移动 8 位。这样做是因为 int16_t 类型占用 2 个字节,而我们希望将 high 的数据放置在最高的 8 位上。
            // |: 按位或运算符 | 将经过左移的 high 数据和 hex_data[i] 数据进行按位或操作,将它们组合为一个 16 位的数值
            short_data[i / 2] = static_cast<int16_t>((high << 8) | hex_data[i]);
        }

        return short_data;
    }

    // 与上面那个函数是等价的,直接采用C++函数解析
    std::vector<int16_t> hexToShort1(const std::vector<uint8_t> &hex_data)
    {
        char rawData[] = {hex_data[0], hex_data[1], hex_data[2], hex_data[3], hex_data[4], hex_data[5], hex_data[6], hex_data[7]};
        // 创建一个存储解析后整数的数组
        short result[4];
        // 使用memcpy将字节数组解析为整数数组
        memcpy(result, rawData, sizeof(result));

        std::vector<int16_t> short_data = {result[0], result[1], result[2], result[3]};
        return short_data;
    }

    std::string _port_name;
    rclcpp::Publisher<sensor_msgs::msg::Imu>::SharedPtr publisher_;
    std::thread imu_thread_;
};

int main(int argc, char **argv)
{
    rclcpp::init(argc, argv);
    auto imu_node = std::make_shared<IMUDriverNode>("imu_driver_node");
    imu_thread_running.store(true);

    rclcpp::spin(imu_node);
    imu_thread_running.store(false);

    imu_node->joinIMUThread();

    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

cmake配置如下:

cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(imu_driver)

if(CMAKE_COMPILER_IS_GNUCXX OR CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "Clang")
  add_compile_options(-Wall -Wextra -Wpedantic)
endif()

find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)
find_package(tf2 REQUIRED)
find_package(sensor_msgs REQUIRED)
set(CMAKE_INSTALL_RPATH /usr/local/lib)
find_package(serial REQUIRED)

add_executable(imu_driver_exe src/imu.cpp)
target_include_directories(imu_driver_exe PUBLIC
  $<BUILD_INTERFACE:${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/include>
  $<INSTALL_INTERFACE:include>)
target_compile_features(imu_driver_exe PUBLIC c_std_99 cxx_std_17)  # Require C99 and C++17
ament_target_dependencies(
  imu_driver_exe
  "rclcpp"
  "std_msgs"
  "sensor_msgs"
  "tf2"
  "serial"
)

install(TARGETS imu_driver_exe DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

install(DIRECTORY launch DESTINATION share/${PROJECT_NAME})

if(BUILD_TESTING)
  find_package(ament_lint_auto REQUIRED)
  ament_lint_auto_find_test_dependencies()
endif()

ament_package()

package.xml配置如下:

<?xml version="1.0"?>
<?xml-model href="http://download.ros.org/schema/package_format3.xsd" schematypens="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"?>
<package format="3">
  <name>gnss_imu_sim</name>
  <version>0.0.0</version>
  <description>TODO: Package description</description>
  <maintainer email="zard@todo.todo">zard</maintainer>
  <license>TODO: License declaration</license>

  <buildtool_depend>ament_cmake</buildtool_depend>

  <depend>rclcpp</depend>
  <depend>std_msgs</depend>
  <depend>tf2</depend>
  <depend>sensor_msgs</depend>

  <test_depend>ament_lint_auto</test_depend>
  <test_depend>ament_lint_common</test_depend>

  <export>
    <build_type>ament_cmake</build_type>
  </export>
</package>

启动文件:

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='gnss_imu_sim',
            executable='imu_driver_exe',
            name='imu_driver_exe',
            parameters=[{"~port_name":"/dev/imu_usb"}],
            output='both'
        )
    ])

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Java系列之:字符串的截取及分割 split() 和 substring()

文章底部有个人公众号&#xff1a;热爱技术的小郑。主要分享开发知识、学习资料、毕业设计指导等。有兴趣的可以关注一下。为何分享&#xff1f; 踩过的坑没必要让别人在再踩&#xff0c;自己复盘也能加深记忆。利己利人、所谓双赢。 1、字符串的截取 split() 1.1 使用说明 1.…

群晖7.2版本安装Jellyfin

一、添加三方套件库 打开桌面【套件中心】&#xff0c;点击右上角的【设置】-【套件来源】-【新增】&#xff0c;添加矿神库 名称&#xff1a;我不是矿神 位置&#xff1a;https://spk7.imnks.com/ 二、安装Jellyfin 【套件中心】-搜索【Jellyfin】-【安装套件】 集显版群…

LoRaWAN通信协议物联网应用

LoRaWAN&#xff08;Long Range Wide Area Network&#xff0c;长距离广域网&#xff09;是由LoRa联盟推出的一种低功耗广域网标准&#xff0c;定义了网络的通讯协议和系统架构。该标准提供智能设备间的互联互通服务&#xff0c;无需复杂配置&#xff0c;便于用户、开 发者和企…

[Kettle] Excel输入

Excel文件采用表格的形式&#xff0c;数据显示直观&#xff0c;操作方便 Excel文件采用工作表存储数据&#xff0c;一个文件有多张不同名称的工作表&#xff0c;分别存放相同字段或不同字段的数据 数据源 物理成绩(Kettle数据集2).xls https://download.csdn.net/download/H…

SQL审计是什么意思?目的是什么?有什么好处?

很多刚入行的运维小伙伴对于SQL审计不是很了解&#xff0c;不知道其是什么意思&#xff1f;使用SQL审计的目的是什么&#xff1f;使用SQL审计的好处有哪些&#xff1f;这里我们大家就来一起聊聊&#xff0c;仅供参考哈&#xff01; SQL审计是什么意思&#xff1f; 【回答】&…

研发管理用什么软件?

研发管理用什么软件 研发管理用的软件有&#xff1a;1、JIRA&#xff1b;2、Confluence&#xff1b;3、彩虹PDM软件。彩虹PDM软件 是由南宁市二零二五科技有限公司 自主研发&#xff0c;为用户提供“产品全生命周期管理解决方案”。产品结构管理、BOD管理、零部件管理、工艺管理…

Go 定时任务实现

定时任务简介 定时任务是指按照预定的时间间隔或特定时间点自动执行的计划任务或操作。这些任务通常用于自动化重复性的工作&#xff0c;以减轻人工操作的负担&#xff0c;提高效率。在计算机编程和应用程序开发中&#xff0c;定时任务是一种常见的编程模式&#xff0c;用于周…

【Nginx篇】Nginx轻松上手

&#x1f49d;&#x1f49d;&#x1f49d;欢迎来到我的博客&#xff0c;很高兴能够在这里和您见面&#xff01;希望您在这里可以感受到一份轻松愉快的氛围&#xff0c;不仅可以获得有趣的内容和知识&#xff0c;也可以畅所欲言、分享您的想法和见解。 推荐:kwan 的首页,持续学…

解决Docker启动之npm版本不兼容问题

报错内容&#xff1a; npm WARN read-shrinkwrap This version of npm is compatible with lockfileVersion1, but package-lock.json was generated for lockfileVersion2. Ill try to do my best with it! npm WARN tar ENOENT: no such file or directory, open /home/wvp-…

2023北京1024城市开发者聚会总结

&#x1f337;&#x1f341; 博主猫头虎 带您 Go to New World.✨&#x1f341; &#x1f984; 博客首页——猫头虎的博客&#x1f390; &#x1f433;《面试题大全专栏》 文章图文并茂&#x1f995;生动形象&#x1f996;简单易学&#xff01;欢迎大家来踩踩~&#x1f33a; &a…

【LeetCode:2586. 统计范围内的元音字符串数 | 模拟】

&#x1f680; 算法题 &#x1f680; &#x1f332; 算法刷题专栏 | 面试必备算法 | 面试高频算法 &#x1f340; &#x1f332; 越难的东西,越要努力坚持&#xff0c;因为它具有很高的价值&#xff0c;算法就是这样✨ &#x1f332; 作者简介&#xff1a;硕风和炜&#xff0c;…

华为ICT——第六章:深度学习和卷积神经网络/详篇

目录 1&#xff1a;深度学习卷积的重要概念&#xff1a; 2&#xff1a;CNN核心思想——局部感知&#xff1a; CNN核心思想——参数共享&#xff1a; 3&#xff1a;卷积层的功能&#xff1a; 4&#xff1a;不同深度的卷积层提取的特征&#xff1a; 5&#xff1a;卷积效果——…

docker常用命令解析+Mysql基本操作和语法+Navicat的基本使用及常见报错

一、docker常用命令 1.查看docker容器的列表 语法&#xff1a;docker ps 2. 查看容器里的内容 语法&#xff1a;docker exec -it 容器名 容器内执行的命令 例子&#xff1a;docker exec -it mysql bash 含义&#xff1a;在mysql容器里&#xff0c;启动一个bash shell。 进…

【终端目标检测03】nanodet训练自己的数据集、NCNN部署到Android

nanodet训练自己的数据集、NCNN部署到Android 一、介绍二、训练自己的数据集1. 运行环境2. 数据集3. 配置文件4. 训练5. 训练可视化6. 测试 三、部署到android1. 使用官方权重文件部署1.1 下载权重文件1.2 使用Android Studio部署apk 2. 部署自己的模型【暂时存在问题】2.1 生成…

2023第一届OPENAIGC开发者大赛圆满收官获奖名单公示

11月4日&#xff0c;历时两个月的「2023第一届开放AIGC开发者大赛」在苏州国际博览中心圆满收官。本次大赛以“AI生成未来”为主题&#xff0c;旨在寻找并推动中国大模型、AIGC领域的创新人才和前沿技术应用。云集来自各大行业与领域的企业、高校等323支优秀团队&#xff0c;共…

记录访问http链接,刷新页面会自动转到https问题

解决方法 点击地址栏前边小锁的标识&#xff0c;会弹出窗口&#xff0c;选择网站设置&#xff0c;然后找到左边”隐私与安全“选项卡下的”不安全内容“选项&#xff0c;默认的选项是”屏蔽&#xff08;默认&#xff09;“&#xff0c;改成”允许“。

OSPF下的MGRE实验

一、实验要求 1、R1-R3-R4构建全连的MGRE环境 2、R1-R5-R6建立hub-spoke的MGRE环境&#xff0c;其中R1为中心 3、R1-R3...R6均存在环回网段模拟用户私网&#xff0c;使用OSPF使全网可达 4、其中R2为ISP路由器&#xff0c;仅配置IP地址 二、实验拓扑图 三、实验配置 1、给各路…