ROS串口通信简析(一)——串口发送

ROS节点程序运行过程中需要获取机器人的传感器信息和发送控制指令，因此不可避免要与机器人进行通信，常见的通讯方式有串口、CAN和网口等，其中串口最为普遍。

ROS通过自带的 serial 包连接串口设备，进行串口通信，需要提前安装 serial 包：

sudo apt-get install ros-melodic-serial

串口通信根据数据传输方向可以分为 串口发送 和 串口接收 。

通过串口发送数据时，需要明确发送机制，常见的发送机制有：

定时发送是通过设定定时器，以 固定频率 发送数据包；

触发条件发送是通过条件判断语句，判断某个标志位或某个事件发生后，再发送数据包，特点是 频率不固定 。

发送数据分为两个步骤：

由此可知buffer数据结构需要可同时被这两个步骤访问，buffer需要为全局变量。

首先根据通信协议定义buffer中的帧头、帧尾等固定内容，然后接收别的Topic，获取待发送数据，把获取的数据填入到协议的数据段，最后根据数据段计算校验码。

1 订阅发送数据的Topic

serial_sub = nh.subscribe("/joy", 10, &DecodeFrame::serial_sub_callback,this)

2 根据Topic填入数据段和校验

1 创建定时回调函数

首先需要创建一个定时器，设定发送频率，并指定回调函数名称

write_rs232_timer = nh.createTimer(ros::Duration(0.01), &DecodeFrame::CB_write_rs232_Cycle, this)

2 通过 serial 将buffer数据写入串口设备

实例化串口对象，并打开串口

发送数据到串口设备上

注意1：发送数据节点挂掉

若发送数据Topic的节点挂掉后，由于buffer是全局变量，buffer的数据段会一直是上一帧的数据，不会再改变，为避免上述情况，在将数据写入串口设备后， 将数据段清零。

注意2：joystick包发送机制

在使用PS3/PS4、Xbox手柄时，使用ros-melodic-joy包获取摇杆数据，手柄的遥杆或者按键如果一直处于同一位置（初始零位和最大值）只会发送一帧数据，不会连续发送， 只有当摇杆数据变化时，才会发送数据。

因此使用 rostopic hz /joy 会显示没有msg信息传输，所以串口程序不会进回调函数获取发送数据，但是数值确实是一直保持的， 所以就不能将数据段清零。

触发条件发送与定时发送相比的最大不同之处在于发送频率不同，不需要设置定时器，在满足条件后直接将数据写入串口即可。

RTK可以通过ROS中的serial通信协议进行通信。

1、需要在ROS中安装serial通信库。

2、在ROS中编写相应的节点程序，通过串口与RTK进行通信。具体的实现方法需要根据RTK的型号和ROS的版本进行调整。

CAN 1.0 定义的 CAN 具有 11 位消息标识，提供可能的 2048 个消息标识符。2.0 版允许有效的 29 位消息 ID。为了使新的 CAN 设备与旧的实现兼容，CAN 2.0 规范分为两部分，2.0A 和 2.0B。在 CAN 2.0A 中，消息格式与仅使用 11 位消息 ID 的旧版本 CAN 一致。 CAN 2.0B 中，允允许有效的 29 位消息 ID，然后可以在被动或主动模式下实现 CAN 2.0B。CAN 版本 1.0 和 2.0A 被称为“标准 CAN”，因为它们都使用 11 位消息 ID。CAN 2.0 B 被称为“扩展 CAN”，因为它使用扩展的 29 位消息 ID

https://www.can-cia.org/can-knowledge/can/can-history/

https://en.wikipedia.org/wiki/CAN_bus#History

https://www.edaboard.com/threads/difference-between-can1-0-and-can-2-0.217912/

SAE J1939/ISO11783

CANOpen

CANaerospace

DeviceNet

NMEA 2000

Linux可以通过串口、USB、网口、PCIE等接口与CAN设备间接进行通信。

CAN设备连接在不同的硬件接口时，意味着CAN设备被挂载在Linux中不同的总线上，如USB总线、PCI-E总线（直接通过PCI-E与linux通讯），因此Linux采用不同的通讯协议与CAN设备进行通讯。

Linux->串口->单片机->CAN

利用linux自带的串口库，或ros的serial库对串口进行读写。

通过定义串口协议，如10个字节，前两个字节为CAN ID，后面8个字节为CAN Data。通过此对串口发送数据，让单片机对其进行转换为CAN数据。

协议参考： https://manual.zlg.cn/web/#/64/2607

注意，不是所有的周立功CAN转USB设备都支持Linux，见表： https://manual.zlg.cn/web/#/146

Linux->USB->单片机->CAN

与CAN转串口不一样，利用的库是libusb和libusbcan，对CAN转USB数据直接进行读写

libusb是linux驱动，可以 *** 作USB接口对USB设备进行读写 *** 作。

libusbcan是CAN转USB设备厂商给的驱动，其中定义了can数据帧的数据结构体，填充相应的CAN ID和CAN Data，最后通过USB进行读写。

协议参考： https://manual.zlg.cn/web/#/55/2282

Linux->TCP(UDP)/IP->单片机->CAN

利用Linux的socket库对网络设备进行读写 *** 作。

Linux通过IP地址利用Socket与CAN设备通信，一个TCP/UDP帧包中包含若干个连续的CAN帧，每个CAN帧包含若干个字节，包含CAN ID和CAN Data。

协议参考： https://manual.zlg.cn/web/#/67/2693

注意周立公CAN转PCI-E设备，型号PCI-5010-P不支持Linux： https://manual.zlg.cn/web/#/146

Linux->SocketCAN->单片机->CAN

Linux提供了SocketCAN接口，使得CAN总线通信近似于和以太网的通信。网络设备通过IP确定地址，CAN设备通过CAN ID确定地址，如 can0 ， can1 ...

CAN ID可以通过 ifconfig -a 查看

Linux利用SocketCAN库根据CAN的设备ID对其进行读写 *** 作，CAN的数据结构在Socket CAN中被结构体定义，填充相应数据后发送即可。

协议参考： https://manual.zlg.cn/web/#/77/3180

开源地址： https://canable.io/

淘宝有售卖

注意与上面周立功的CAN转USB设备数据传输流程不同，利用的是 SocketCAN ，不是 USB 。

Linux->SocketCAN->单片机->CAN

Linux利用SocketCAN库根据CAN的设备ID对其进行读写 *** 作，CAN的数据结构在Socket CAN中被结构体定义，填充相应数据后发送即可。

SocketCAN简介： https://en.wikipedia.org/wiki/SocketCAN

协议参考1： https://canable.io/getting-started.html#socketcan-linux

协议参考2： https://manual.zlg.cn/web/#/77/3180

socketcan_interface 是较为底层的包，与Linux的socketcan打交道。

socketcan_bridge 是 ros中最常用的包 ，通过将接收到的topic转换为can数据发出去，或者把接收到的can数据转换为ros的topic。

ros_canopen 是基于canopen应用协议的包，是上层协议。

该功能以三个节点的形式提供： socketcan_bridge_node 、 socketcan_to_topic_node 和 topic_to_socketcan_node 。要从同一个 CAN 设备接收和发送帧，需要使用 socketcan_bridge_node 来防止每个发送的消息都回显到接收主题。

从 SocketCAN 设备接收帧并将这些帧发布到主题上，同时它侦听 CAN 消息并将这些消息发送到 SocketCAN。发送到 CAN 设备的帧不会作为接收消息发布。

将在 SocketCAN 设备上接收到的帧发布到topic。

将收到的topic的 CAN 消息发送到 SocketCAN 设备。

对于一些成熟的包，或者比较复杂的包，要想把其中的topic转为CAN数据发出去，有两种修改方式：

第二种方式更为简单和快速，但会增加通信中转延时，ROS的节点通信是基于TCP/IP，对于本机节点通信而言，此延时大概在1ms以内（百兆网卡以上）。

对于该中转节点，需要订阅两个topic，发布两个topic

socketcan_bridge_node的话题的消息类型都为 ROS内置消息类型 can_msgs/Frame ：

需要填充的数据是

一般把该中转节点与socketcan_bridge_node放在一个launch文件中。

如果socketcan_bridge_node节点的名称冲突了，可以在launch文件中添加group，或者remap话题名称。

推荐CANable + socketcan_bridge包实现ROS中的CAN通信！

Github： https://github.com/wanghuohuo0716/ros_can_driver

ROS socketcan_bridge包使用参考：

https://blog.csdn.net/zyf_to_utopia/article/details/116209605

https://blog.csdn.net/m0_58322903/article/details/121630592

https://blog.csdn.net/wangrunhuan/article/details/117962857

SocketCAN介绍：

https://en.wikipedia.org/wiki/SocketCAN

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