立创SBUS转UART转换器设计：基于STM32G070的ROS与MCU双模协议转换模块

立创SBUS转UART转换器设计基于STM32G070的ROS与MCU双模协议转换模块最近在玩机器人项目想把航模遥控器接到自己的ROS小车或者STM32主板上发现遥控器输出的SBUS信号直接连上去根本没法用。网上找了一圈要么是成品模块太贵要么是代码不开源不好改。于是我自己动手基于STM32G070设计了一个开源的SBUS转UART转换模块今天就把这个项目的硬件设计、软件实现和怎么用都分享给大家。这个模块的核心功能很简单它能把航模接收机输出的SBUS信号转换成两种标准串口格式。一种是给ROS系统用的JSON格式另一种是给普通单片机比如STM32、ESP32用的二进制格式。模块上还带了一个OLED屏幕显示状态用起来非常直观。注意目前这个模块的代码只适配了HOTRC-10A这款遥控器。如果你用的是其他品牌的遥控器可能需要自己修改一下源码里的参数。1. 硬件设计麻雀虽小五脏俱全咱们先来看看这个模块的硬件是怎么设计的。整个板子不大但该有的功能一个不少。1.1 核心主控STM32G070KBT6我选用了STM32G070KBT6作为主控芯片。为什么选它首先它性价比高ARM Cortex-M0内核主频64MHz对于处理SBUS数据绰绰有余。更重要的是它有4个UART串口正好满足我们的需求USART1专门用来接收SBUS信号。这里用到了STM32的一个特殊功能——硬件反相。SBUS信号是反相的也就是逻辑1是低电平逻辑0是高电平普通串口收不到。STM32G070的UART支持硬件反相功能直接配置一下就能正确接收省去了外部反相电路。USART2输出模式选择为“MCU模式”时从这个串口输出定长的二进制数据帧。USART4输出模式选择为“ROS模式”时从这个串口输出JSON格式的字符串。USART3作为调试串口持续打印系统的运行状态方便我们排查问题。1.2 关键外设与接口除了主控板子上还集成了几个很实用的模块CP2102 USB转串口芯片有了它你可以直接用USB-C线把模块插到电脑上电脑会识别出一个串口。这样在ROS系统里或者用串口调试助手查看数据就非常方便了。0.96英寸OLED显示屏通过I2C接口连接用来实时显示SBUS连接状态、当前输出模式、通道数值等信息。调试的时候看一眼屏幕就知道模块工作是否正常。双路拨码开关这是模式选择的关键。两个开关的不同组合决定了模块输出哪种格式的数据。状态指示灯有两个LED灯。蓝灯指示工作模式MCU模式慢闪ROS模式快闪橙灯指示SBUS接收机连接状态连接常亮断开闪烁。保护电路考虑到实际使用环境我在USB口加了TVS管做静电保护串口加了限流电阻电源部分也做了反接保护。虽然是小细节但能避免很多意外损坏。1.3 硬件参数一览为了方便你快速了解我把主要硬件参数整理成了表格项目参数/型号主控芯片STM32G070KBT6USB转串口芯片CP2102显示屏0.96英寸OLED (I2C接口)输入信号SBUS (硬件反相处理)用户按键1个 (用于界面翻页/测试)模式开关2位拨码开关电源输入USB-C 5V 或 外部5V输出电平3.3V TTL默认通信波特率1152002. 两种工作模式与接线方法这个模块最大的特点就是支持两种输出模式适应不同的使用场景。模式的选择全靠板子上那个两路的拨码开关。2.1 模式切换规则拨码开关的拨杆方向决定了模块的输出行为操作模式拨码开关状态 (SW1, SW2)输出内容与接口MCU模式ON-OFF通过UART2输出传统的定长二进制数据帧适合单片机直接解析。ROS模式OFF-ON通过UART4输出JSON格式的字符串适合ROS系统或上位机软件解析。模式切换后OLED屏幕和蓝色LED灯的状态会立即更新让你一眼就能确认当前模式。2.2 如何接线根据你的使用场景接线方式略有不同场景一接入ROS系统或电脑这是最简单的方式。直接用USB-C线连接模块和电脑。模块内部的CP2102芯片会创建一个虚拟串口。你只需要在ROS中创建一个串口节点或者打开串口调试工具就能收到数据了。[你的电脑] --USB-C线-- [本模块] --SBUS线-- [航模接收机]场景二接入你自己的单片机主控如果你的主控板是STM32、ESP32等需要用到模块的UART输出引脚。将模块的TX(发送) 引脚连接到你的主控板的RX(接收) 引脚。确保共地GND连接在一起。注意电平匹配本模块所有IO都是3.3V TTL电平如果你的主控是5V系统需要做电平转换不能直接连接。[你的MCU主控] --UART线 (RX接TX)-- [本模块] --SBUS线-- [航模接收机]重要提醒不要同时连接USB接电脑和UART输出口接其他MCU绝对不能同时接两个主机设备否则会损坏芯片。注意电平输出是3.3V别直接怼到5V单片机上。3. 软件架构FreeRTOS让一切井井有条硬件是骨架软件才是灵魂。为了让模块稳定可靠地处理多任务接收数据、解析、显示、发送我选择了在FreeRTOS实时操作系统上开发。这样每个功能都是一个独立的任务互不干扰代码结构也清晰。3.1 程序运行流程全景图整个软件的工作流程我画了一个简单的示意图帮你理解上电启动 | ├── 初始化硬件 (GPIO, UART, I2C, DMA...) | ├── 创建FreeRTOS任务 | | | ├── SBUS数据接收任务 (DMA空闲中断) | ├── SBUS数据解析任务 | ├── OLED显示任务 | ├── 模式检测任务 (读取拨码开关) | ├── MCU格式数据发送任务 | ├── ROS/JSON格式数据发送任务 | ├── LED指示灯任务 | ├── 按键扫描任务 | └── SBUS看门狗任务 (监测信号) | └── 启动任务调度各任务开始并行工作核心流程是这样的SBUS接收任务通过DMA和串口空闲中断高效地获取原始数据包交给解析任务拆解出16个通道的值。模式检测任务时刻盯着拨码开关根据开关状态决定激活哪个发送任务MCU或ROS。同时显示任务和LED任务会把系统状态实时展示出来。3.2 代码工程结构所有的源代码都开源在GitHub上https://github.com/BeiBei2023/SBUS_TO_UART.git如果你打算自己编译或者修改代码可以了解一下工程目录结构主要关注这几个文件夹BSP/(板级支持包)这里放了所有和硬件打交道的模块。SBUS/SBUS协议解析的核心数据怎么从一包字节变成16个通道值就在这里。U8G2/OLED屏幕的驱动和显示任务界面绘制逻辑在这里。BUTTON/按键处理用来切换OLED显示页面。LOG/日志系统调试的时候输出运行信息基于EasyLogger。Core/STM32的主程序、中断服务函数等核心文件。Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/FreeRTOS实时操作系统的源码。3.3 核心SBUS协议解析代码详解SBUS协议解析是整个项目的关键。航模接收机发过来的是一串25字节的数据我们要从中提取出16个通道的数值每个值占11位还有几个标志位。这个过程主要是“比特位”的拼接游戏。原始SBUS数据帧结构如下[起始字节0x0F] [22个数据字节] [1个标志字节] [结束字节0x00]16个通道的数值每个0-2047就紧密地排列在那22个数据字节里一个通道的11位可能跨了2个甚至3个字节。下面是我写的解析函数的关键部分我加了详细注释/** * brief 解码SBUS协议帧数据到通道值 * param buf 指向25字节SBUS原始数据的指针 */ void sbus_decode_frame(uint8_t* buf) { // 第一步检查数据包是否完整有效 if (buf[0] 0x0F buf[24] 0x00) // 判断帧头和帧尾 { // 第二步从22个数据字节中把16个通道的11位数据“抠”出来 // 通道0: 占用 buf[1]的全部8位 buf[2]的低3位 sbus_ch_data.channels[0] ((buf[1] | (buf[2] 8)) 0x07FF); // 通道1: 占用 buf[2]的高5位 buf[3]的低6位 sbus_ch_data.channels[1] ((buf[2] 3 | (buf[3] 5)) 0x07FF); // 通道2: 占用 buf[3]的高2位 buf[4]的全部8位 buf[5]的低1位 sbus_ch_data.channels[2] ((buf[3] 6 | (buf[4] 2) | (buf[5] 10)) 0x07FF); // ... 后续通道3-15的解析逻辑类似都是位操作 sbus_ch_data.channels[3] ((buf[5] 1 | (buf[6] 7)) 0x07FF); // ... (代码中省略了通道4-15的解析行原理相同) // 第三步提取标志位字节第24字节 // 这个字节的位7和位6分别代表数字通道17和18位5代表帧丢失位4代表失控保护激活 sbus_ch_data.flags buf[23]; // 第四步将原始的0-2047值转换为更常用的百分比值-100% 到 100% for(int i0; i16; i) { sbus_ch_data.channels_percent[i] sbus_value_convert(sbus_ch_data.channels[i]); } } // 如果帧头帧尾不对说明这包数据无效直接丢弃 }解析出来的原始值范围是0-2047通常我们会把它转换成-100%到100%的百分比这样在控制电机、舵机时更直观。转换函数sbus_value_convert做的就是线性映射的工作。4. 快速上手指南如果你拿到了模块或者自己打板焊接好了按照下面几步就能让它跑起来硬件连接用杜邦线将航模接收机的SBUS输出口连接到模块的SBUS_IN引脚注意信号线、VCC、GND别接反。接收机本身需要和遥控器对频。供电与连接如果想接电脑/ROS用USB-C线连接模块和电脑。如果想接其他MCU将模块的UART_TX、GND连接到你的主控板并用外部5V或USB给模块供电。选择模式根据你的需求拨动板上的拨码开关选择MCU模式或ROS模式。观察蓝色LED的闪烁频率是否变化。查看数据MCU模式在你的主控板程序里以115200波特率从串口读取数据。数据是定长的二进制帧你需要按照约定的格式解析。ROS模式在电脑上打开串口调试助手如Putty、SecureCRT设置波特率115200你会看到源源不断的JSON字符串例如{ch1: 45, ch2: -12, ...}直接就可以用脚本处理了。观察状态模块上的OLED屏幕会显示连接状态、当前模式、以及各个通道的数值条非常直观。5. 实际效果与开源我实际测试下来模块工作非常稳定延迟极低完全能满足机器人或无人机的实时控制需求。OLED屏幕提供了三种显示页面可以通过板载按键切换主页面显示模式和连接状态信息页面显示系统运行时间等通道页面用柱状图实时显示16个通道的数值调试遥控器的时候特别方便。最后再次强调本项目所有硬件设计文件立创EDA工程和软件源代码均已开源遵循MIT协议。你可以自由地使用、修改甚至用于商业项目。如果你在制作或使用过程中遇到了问题或者有更好的改进想法欢迎到GitHub项目页面上交流。希望这个开源项目能帮到更多机器人爱好者。