USART1 串口协议规范 适用固件：MainController（STM32F103，Core/App） 端口：USART1，115200 8N1，DMA 收发 定位：精简协议规范（帧格式 / 字段 / 时序 / 状态机 / 错误处理），不含教程与案例。 教程与逐条案例解析见 串口指令说明书.md。 本文以固件代码为准；与源码注释冲突时以本文（代码实际）为准。 0. 概览 方向 帧 ID 名称 长度 用途 下行 host→F103 F0 06 UWB 测距 10 B 跟随数据源 下行 host→F103 FD 03 串口油门 10 B 双轮同速 下行 host→F103 FD 04 外设直控 10 B 双轮独立目标速度 + 停止模式 下行 host→F103 FD 08 在线调参 10 B 改写运行参数 上行 F103→host FD 01 速度遥测 24 B 常发 ~30 ms 上行 F103→host FD 06 速度链路诊断 24 B 调参开关开 ~12 ms 上行 F103→host FD 07 ADC→PWM 链路 24 B 调参开关开 ~6 ms 上行 F103→host FD 0B 跟随遥测 16 B 调参开关开 ~8 ms •下行固定 10 字节；上行变长 `2 + 2×n`。两者格式不同，勿混用。 1. 物理层 项 值 波特率 115200 帧格式 8 数据位 / 无校验 / 1 停止位（8N1） 接收 DMA 环形，收满 10 字节触发一次解析（缓冲 usartrx_buf，长度 10） 发送 DMA（DMA1_Channel4），忙时丢帧（dma_tx_done==0 直接丢弃，不排队） 中断 USART1 仅使能错误中断（ERR）；不使用 IDLE 中断，帧对齐由软件滑窗完成 2. 帧层总则 2.1 下行（定长 10 字节） •上位机必须把每帧补齐到 10 字节（不足补 0x00），否则破坏 DMA 对齐、整帧丢失。 •解析器在 10 字节窗口内逐字节滑窗匹配帧头（for i=0..9，环形 %10）： ◦帧可跨缓冲边界、允许任意相位错位自对齐，无需严格对齐； ◦每次回调最多解析 1 帧（命中即 break），多帧连发会按 10 字节节拍逐次解开； ◦帧头/尾匹配不完整即整帧丢弃，不影响后续帧。 2.2 上行（变长） •通用格式：FD + 帧ID + n×int16(大端)，整帧 = 2 + 2×n 字节。 •上位机必须按 2 + 2×n 收帧，不能按固定 10 字节切。 •所有 int16 由 CLAMP16 饱和到 ±32767。 2.3 字节序（方向不同，务必注意） 帧 多字节字段 F0 06 UWB（下行） 小端 FD 03 / FD 04 / FD 08（下行） 大端 FD 01/06/07/0B（上行） 大端 3. 下行帧定义 3.1 `F0 06` UWB 测距帧（小端，10 B） 偏移 长度 含义 0 1 0xF0 1 1 0x06 2–3 2 未使用 4–5 2 距离 LE16（cm） 6–7 2 角度 LE16 → int16（°，>0 = 目标在左） 8 1 未使用（RSSI） 9 1 0xAA 尾校验 •匹配条件：byte0=0xF0 && byte1=0x06 && byte9=0xAA •命中 → 更新距离/角度并置 RangingNew=1（触发/维持跟随） •无附加校验：距离在跟随侧再做 >0 && <8000 有效性判断；角度不校验范围 3.2 `FD 03` 串口油门帧（大端，10 B） 偏移 长度 含义 0 1 0xFD 1 1 0x03 2–3 2 A0 BE16，0~1000（前进） 4–5 2 A1 BE16，0~1000（后退） 6–9 4 填充 行为（左=右=同一目标 cs，写入 CmdSpeed，走挡位换算）： 条件 cs RunFlag 持控制权 A0>0 且 A1>0 0 0（短路制动） 是 A0>0 +A0 1（前进） 是 A1>0 −A1 1（后退） 是 都 = 0 0 0 否（释放） •量程校验：任一 >1000 → 整帧丢弃（防 0x8000 窄化变满速反转） •超时：见 §6.3 3.3 `FD 04` 外设直控帧（大端，10 B） 偏移 长度 含义 0 1 0xFD 1 1 0x04 2–3 2 左轮目标 int16 BE，±1000（motor1） 4–5 2 右轮目标 int16 BE，±1000（motor2） 6 1 停止模式（按轮生效） 7–9 3 填充 停止模式（偏移 6，作用于该轮目标为 0 时）： 值 模式 该轮行为 0 停车 三相下管全导通短路制动（默认） 1 闭环持零 闭环反向 PWM 主动压到 0 2 空挡滑行 释放功率级 → 自由滑行 •符号：+ 前进 / − 后退 / 0 停 •速度标定：1000 = 15.0 km/h；RefSpeed(0.1km/h) = v × 15 / 100， 解耦挡位/轮径（对照 FD 03/遥控/ADC 走挡位换算，同一 1000 ≈ 低/中/高档 4.0/6.0/10.6 km/h） •量程校验：|v|>1000 → 整帧丢弃；停止模式 >2 → 回落 0（停车） •按轮独立：一轮有目标即正常驱动，另一轮为 0 则按停止模式动作，互不影响 •超时：见 §6.3；与 FD 03 同级、后到者优先 3.4 `FD 08` 在线调参帧（大端，10 B） 偏移 长度 含义 0 1 0xFD 1 1 0x08 2 1 PARAM_ID 3–6 4 VALUE，int32 BE 7–9 3 填充 •无完整性校验：仅匹配 FD 08 两字节即写参（噪声误匹配可能误改参数，有夹紧但不可逆） •参数无掉电保存，复位回默认值 •未知/废弃 ID 落入 default，无副作用 4. 上行帧定义 字段序号为 int16 数组下标（大端）。仅 FD 01 常发；FD 06/07/0B 仅在 TuneModeEnable=1（调参开关）时发送。 4.1 `FD 01` 速度遥测（11×int16 = 24 B，~30 ms） # 字段 单位/说明 0 motor1.RefSpeed 0.1 km/h 1 motor2.RefSpeed 0.1 km/h 2 motor1.CmdSpeed 指令量（带符号） 3 motor2.CmdSpeed 指令量（带符号） 4 电机1 实际施加 PWM 带符号 = Pwm × (−RunDir) 5 电机2 实际施加 PWM 带符号 6 状态字 bit0=Follow, bit8=RunFlag, bit12=失速1, bit13=失速2 7 motor1.Rpm 机械转速 8 motor2.Rpm 机械转速 9 motor1.HallRaw 霍尔 3 位（bit0=U bit1=V bit2=W） 10 motor2.HallRaw 霍尔 3 位 4.2 `FD 06` 速度链路诊断（11×int16 = 24 B，~12 ms） # 字段 说明 0 状态字 bit0=SwitchDir, bit1=DIR 引脚电平, bit8–15=KeyGetDbnc 1 motor1.RotDir 霍尔实测方向 ±1/0 2 motor2.RotDir 同上 3 状态字 bit0=RunFlag, bit1=RcActive, bit2=Follow, bit3=刹车1, bit4=刹车2 4 motor1.HallRaw 三路霍尔原始编码 5 motor2.HallRaw 同上 6 motor1.SectorCnt 原始扇区计数，30 µs/计，>33333 ≈ 霍尔丢失 1 s 7 motor2.SectorCnt 同上 8 motor1.SectorAvg 滤波后（已归一为 30 µs 计数；RPM = 22222 / x） 9 motor2.SectorAvg 同上 10 拼装字 bit0–3=CwChg1, bit4–7=CwChg2, bit8–11=HallRawPrev1, bit12–15=HallRawPrev2 4.3 `FD 07` ADC→PWM 链路 + 速度环内部量（11×int16 = 24 B，~6 ms） # 字段 说明 0 AdcValue1 ADC 原始值 1 SpeedRun 滤波后油门 2 motor1.SpeedOut 速度环输出（±限幅） 3 motor2.SpeedOut 同上 4 状态字 bit0=RunFlag, bit1=AdcActive, bit2=SW1, bit3=SW2, bit4=刹车1, bit5=刹车2 5 motor1 z1 ×10，速度环内部量 1（0.1 km/h） 6 motor2 z1 ×10 7 motor1 z2 ×10，速度环内部量 2 8 motor2 z2 ×10 9 motor1 SpdFilt ×10，真实反馈 10 motor2 SpdFilt ×10 CmdSpeed / RefSpeed / 施加 PWM / Rpm 由 FD 01 携带，此处不重复。 4.4 `FD 0B` 跟随遥测（7×int16 = 16 B，~8 ms） # 字段 说明 0 raw_dist 原始测距，cm × 10 1 raw_angle 原始角度，° × 10（>0 = 目标在左） 2 base 差速前进分量，0.1 km/h 3 steer 差速转向分量，0.1 km/h 4 flags bit0=Follow, bit1=RunFlag, bit2=目标有效 5 motor1.ActSpeed 0.1 km/h 6 motor2.ActSpeed 0.1 km/h 5. `FD 08` 参数表 raw = 下发值；写入前自动夹紧到范围。 ID 参数 raw 换算 夹紧范围 默认 0x04 挡位速度系数（写当前挡位） coeff × 1000 0.05 ~ 1.0 0.199 / 0.298 / 0.524 0x05 轮径 cm × 1 16 ~ 26（越界不改） 16 0x0C 失速保护阈值 30 µs 计数 × 1 ≥ 100 33333（≈1 s） 0x0D 测速保持/衰减系数 f × 100 1.0 ~ 5.0 1.5 0x10 速度反馈低通（已弃用） α × 1000 —（写入无作用） — 0x11 b0 对象增益 b0 × 1000 0.001 ~ 5.0 1.8 0x12 kp 控制器带宽 kp × 100 0.01 ~ 20 8.0 0x13 wo 观测器带宽 wo × 10 1 ~ 500 20.0 0x15 输出限幅 原值 100 ~ 999（否则 800） 800 0x18 遥控/松油门制动带宽 kp_rc × 100 0.01 ~ 20 20.0 0x1A 跟随转向速度比例 × 100 0.1 ~ 1.0 1.0 0x1B 跟随角度增益 × 100 0.1 ~ 6.0 1.5 0x1C 跟随目标距离 cm × 1 70 ~ 150 85.0 0x1D 航向 P（已弃用） × 100 0 ~ 20 — 0x20 航向 I（已弃用） × 100 0 ~ 20 — 0x22 跟随模式 kp × 100 0.01 ~ 20 5.0 已废弃 ID（落 default 丢弃，ID 不复用）： 0x01 0x02 0x03 0x06 0x07 0x08 0x0B 0x0E 0x0F 0x14 0x16 0x17 0x19 0x21 0x23 0x24 6. 控制权仲裁与状态机 6.1 仲裁链（主循环每圈，自上而下命中即停） 2.4G 遥控 RcHoldCnt>0 (独占, 忽略其余) ↓ 否则 UWB 跟随 FollowActive || RangingNew ↓ 否则 串口指令 FD 03 / FD 04 (同级, 后到者优先, 200 ms 窗口) ↓ 返回 0 且 !RcActive 本地 ADC 油门 层级 进入条件 备注 2.4G 遥控 RcHoldCnt>0 遥控帧刷新 RcHoldCnt=3000（90 ms）；独占 UWB 跟随 FollowActive 或本圈有 RangingNew FollowCtrl() 接管 串口 FD 03/FD 04 有新鲜帧 两帧共享 200 ms 窗口，谁的新帧更近谁定模式 本地 ADC 串口级返回 0 且 RcActive==0 RcActive 为遥控存活窗口（150 ms），防遥控帧间隙误切 ADC 6.2 跟随状态机（`FollowCtrl` + `FollowTimeoutCheck`） 收到有效帧 (dist∈(0,8000)) ──→ 更新距离/角度, 刷新时间戳 RangingLastCnt │ ├─ dist ≥ 350cm → 退出跟随, 停车 (FollowActive=0) ├─ dist < 60cm → 退出跟随, 停车 (FollowActive=0, 防撞) └─ 60 ≤ dist < 350 → 正常跟随: · dist > 目标距离(85cm) : 前进 + 转向 (Stanley: 航向项 + 横向项 + ff) · dist ≤ 目标距离 : 转向对齐/原地 pivot · 均置 FollowActive=1 (独占, 阻挡手动/串口/ADC) 掉帧 (无有效帧) 按经过时间: < 200 ms → 保持上次指令 (骑过瞬时丢帧) 200~400 ms → 递减至 0 (保持转向/曲率平滑减速; 每 30ms tick 按比例乘一次, 乘法累积略快于线性) ≥ 400 ms → 停车, 但 FollowActive 仍=1 继续阻挡手动 > 1 s → FollowTimeoutCheck 释放 FollowActive, 交还手动 (停车) •跟随决策层 base/steer 按低档物理标定，写 CmdSpeed 时乘 wk_ref/wk 解耦挡位（各挡物理速度/差速一致） •失联/退出/停车/超时均复位决策状态（平滑、目标运动前馈、est_valid），防止重新进入瞬间用陈旧值猛冲 •掉帧衰减分支与正常帧分支采用同一挡位解耦系数 6.3 超时/节拍表 项 时长 单位换算 行为 遥控帧保持 RcHoldCnt 90 ms 3000 × 30 µs 遥控有效窗口；递减，帧刷新 遥控存活窗口 RcActive 150 ms 75 × 2 ms 遥控帧间隙内维持，防误切 ADC 串口超时 200 ms 6666 × 30 µs FD 03/FD 04 共用；超时释放控制权 跟随掉帧保持 200 ms — 骑过瞬时丢帧 跟随掉帧停车 400 ms — 衰减到 0 后停车 跟随总超时 1 s 33333 × 30 µs 释放 FollowActive 串口接收 — 10 B DMA 环形，满 10 字节解析 1 帧 FD 01 常发 ~30 ms 1000 × 30 µs 不受开关限制 FD 06 ~12 ms 400 × 30 µs 仅调参开关 FD 07 ~6 ms 200 × 30 µs 仅调参开关 FD 0B ~8 ms 267 × 30 µs 仅调参开关 7. 错误处理与鲁棒性 场景 处理 下行不足 10 字节 破坏 DMA 对齐 → 丢帧/错帧。必须补齐 10 B 下行超范围（FD 03 任一>1000、FD 04 ` v FD 04 停止模式 >2 回落 0（停车，最安全） FD 08 未知/废弃 ID default 丢弃，无副作用 帧错位/跨边界 滑窗 %10 自对齐，正常解析 UART 溢出/帧错误 CommUartErrorRecover：清 ORE/FE/NE + 读 DR + 重启 DMA 接收 上行 DMA 忙 本帧丢弃（不排队），下一节拍重发 参数失电 无掉电保存，复位回默认 已知薄弱点（协议层面）： 1.FD 08 仅匹配 2 字节即写参，无完整性校验——调参务必在停车、安静链路下进行 2.F0 06 角度无范围校验（距离在跟随侧校验），噪声误配可能给出离谱角度 3.FD 08 写入的参数不可逆（无读回、无掉电保存） 8. 附录：常量与单位速查 量 单位 备注 CmdSpeed 指令量（带符号） 油门/直控指令域 FD 04 目标 ±1000 → ±15.0 km/h 固定比例，解耦挡位/轮径 RefSpeed / ActSpeed 0.1 km/h 速度环目标 / 实测 SpeedOut 同 CmdSpeed 域（±限幅） 速度环输出 Rpm rpm 22222 / SectorCnt 时间戳 RangingTimer 30 µs / 计 全部节拍/超时均以此为基准 WheelSize cm 默认 16 GearCoef ×1000 低/中/高 = 0.199 / 0.298 / 0.524 TpFollowDist cm 默认 85，FD 08 0x1C 可调 跟随距离窗 cm (60, 350)：<60 退出、≥350 停车 实现注意（上位机侧） 1.下行必须补齐 10 字节（FD 03/04/08 多发 7/8 字节会丢帧） 2.字节序：F0 06 小端，其余下行/上行大端 3.帧 ID 一字之差即整帧丢弃（FD 03 ≠ FD 04 ≠ FD 08） 4.上行帧变长，按 2 + 2×n 收帧 5.FD 04 固件 200 ms 无帧即释放 → 直控须周期重发（建议 100 ms） 6.FD 08 无校验、无掉电保存，调参建议停车进行