六维力传感器通信协议(自定义串口协议)

上篇文章我们讲到数字通信协议会有多种基本属性需要提前设定好，比如串口协议就有波特率、数据位、停止位、校验位、流控等属性。其实设定好这些属性后，双方就可以通信了，但上位机接收到数据，其实还是不明白这些数据的含义，本篇文章我将与大家探讨串口通信中的数据格式。

理想情况下，发送方和接收方只要商议好，大家共同遵守相同的协议就可以互相理解，但现实中的通信有很多实际的问题，所以数据格式的设定还需要符合一些要求。比如我们公司的六维力传感器产品，它是用来感受空间坐标系内的三个方向力和三个方向力矩的，如果按照1千赫兹的速率传输的话，那就要求1ms内将一组包含六个方向受力的信息传递出去。另外数据的格式也分为很多种，比如整数类型、浮点小数、ASCII字符等。所以需要综合考虑速度和信息量，在满足传感器精准度要求的情况下选择一种合适的方式。

我们首先分析数据的格式，整数类型就是用几个字节表示一个整数，比如两个字节可以表示-32768至32767，三个字节呢，就能表示更大的范围了。我们传感器的受力范围最常用的是几百牛的，比如正负200N的量程，准度可以做到千分之五，也就是传感器可以准确测量1N的力，重复精度可以做到千分之二，也就是0.4N，这样如果用整数类型的数据，两个字节的范围肯定够用，但如果只表示整数牛顿的力值，显然不够精细，也没法做到重复精度都显示出来。可以考虑将测量的受力值乘以100倍，这样这个协议就能准确表示0.01N了，数据的范围就是负两万到正两万，再考虑到传感器的安全超载是200%，这样虽然超过量程部分数据不算准确，但从两万到32767的数值上限还有些距离。这看似是个不错的选择，但我们不同的量程传感器为了都能有效显示，这个放大的倍数就需要经常调整，用户如果使用多个量程的传感器就需要注意这一点。而且这款传感器力矩的量程是正负8Nm，所以力矩放大1000倍比较合适，所以力和力矩的放大倍数也不太一样。

另一种不太合适的数据格式是ASCII字符型，这是因为字符型表示数据是需要很多字节的，比如123.45N，就需要六个字节，一个字节表示1，一个表示2，小数点也要单独表示，这样一共需要六个字节。那么不同的力值，数据的长度是不固定的，这显然不太合适。

其实比较合适的是浮点小数类型，因为它是固定的四个字节，可以表示的范围大致是10的-35次方到正的35次方，对于我们传感器来说范围足够大了，一个方向四个字节，看来也不是很长。所以六个方向就是24个字节。另外我们还需要一个统一的开头和结尾，用来表示这一次采集的数据是否开始和结束。我们选择两个字节作为开头，两个字节作为结尾，这样一帧数据是28字节，由起始加上六个方向的数据加上结尾组成。我们可以计算一下，28个字节一帧，一秒钟1000帧，这样每秒钟需要28000个字节，也就是224000个有效比特，因此波特率不能设置成上集讲过的115200这么低。为了增加一些数据帧之间的间隔，提高通信的稳定性，我们选择115200的四倍，也就是460800作为波特率传输。这就是我们传感器默认的通信数据形式。

当然，上篇文章我也说过115200波特率是应用非常广泛的，我们为此也制定了一个适应115200，发送频率稍有降低的方案，降低后的频率是800Hz，每个方向使用12bit的整数形式，不同量程的传感器要乘以不同的放大倍数，然后只要一个字节的开头和两个字节的结尾，这样就兼容了115200波特率。我们把刚提到的12字节的协议叫做短数据，把28字节的默认协议叫做长数据，以便用户好区分。

当上位机按照460800的波特率打开串口后，就可以接收到传感器的数据了，每帧28个字节，上位机需要把收到的数据整理好，找到开头和结尾，中间每四个字节按照浮点类型进行读取，得到受力的结果。这种按照浮点类型的读取其实也很方便，C#、Python、Labview等编程工具都直接提供转换函数、C和C++虽然没提供转换函数，但也有联合体形式可以高效变换。

这就是我们自定的一种数据协议，这种协议可以很好地满足六维传感器输出受力值的需要，但由于是自己定义的，所以需要客户进行学习，调整自己的接收程序才能识别。行业内也有比较通用的协议，比如基于串口的Modbus，基于网络的EtherCAT等工业协议，这些协议经过工业现场的验证，稳定可靠，应用很广泛。我将在下篇文章中对Modbus协议进行介绍。

好，这就是本篇文章的全部内容，如果您想要优质的力觉测量方案，请关注坤维科技。