อินเทอร์เฟซอนุกรมและ DroneCAN

ทำไมต้องรู้

ตัวควบคุมการบินคุยกับอุปกรณ์หลายสิบตัวพร้อมกัน IMU ส่งค่าหลายพันครั้งต่อวินาทีผ่าน SPI เข็มทิศและบารอมิเตอร์ใช้ I2C GPS และวิทยุ telemetry ใช้ UART และบนโดรนขนาดใหญ่ GPS ESC และ power module ต่อกันบนบัส CAN เส้นเดียว การเลือกอินเทอร์เฟซผิดหรือตั้งความเร็วผิด ทำให้ข้อมูลช้า หาย หรืออุปกรณ์ไม่ตอบ

UART

UART ส่งข้อมูลทีละบิตบนสายเดียวต่อทิศทาง (TX ต่อ RX ไขว้กัน) โดยทั้งสองฝั่งต้องตั้ง baud rate ตรงกัน ตามเอกสาร Microchip TB3216 frame แบบ 8N1 มี start bit หนึ่งบิต ข้อมูลแปดบิต และ stop bit หนึ่งบิต รวม 10 บิตต่อหนึ่งไบต์ จึงส่งได้ baud/10 ไบต์ต่อวินาที

ArduPilot ตั้ง baud เริ่มต้นของพอร์ต telemetry ไว้ที่ 57600 และพอร์ต GPS ที่ 230400

I2C และ SPI

ตามข้อกำหนด I2C ของ NXP (UM10204 rev 7.0) บัส I2C ใช้สองสาย SDA และ SCL แบบ open-drain ต้องมีตัวต้านทาน pull-up อุปกรณ์แต่ละตัวมี ที่อยู่ 7 บิต ความเร็วมาตรฐานคือ 100 kbit/s (Standard-mode), 400 kbit/s (Fast-mode) และ 1 Mbit/s (Fast-mode Plus) ต่ออุปกรณ์หลายตัวบนสองสายได้ แต่ช้ากว่า SPI

SPI ใช้สายนาฬิกา SCK สายข้อมูล MOSI และ MISO และสายเลือกอุปกรณ์ (CS) แยกให้แต่ละตัว เร็วกว่า I2C มาก จึงใช้กับ IMU ที่ต้องอ่านบ่อย ตามบทความของ Analog Devices SPI มีสี่โหมดตามขั้วนาฬิกา (CPOL) และขอบที่อ่านข้อมูล (CPHA) ทั้งสองฝั่งต้องตั้งโหมดตรงกัน

CAN และ DroneCAN

CAN ใช้สายคู่ CANH และ CANL ส่งสัญญาณแบบผลต่าง จึงทนสัญญาณรบกวนและเดินสายยาวได้ อุปกรณ์ทุกตัวต่อบนสายคู่เดียวกัน มีตัวต้านทานปิดปลายสายที่ปลายทั้งสองด้าน มาตรฐานคือ ISO 11898-1 (ฉบับล่าสุด 2024 ซึ่งเพิ่ม CAN XL) เอกสาร ArduPilot ระบุว่าความเร็วที่ใช้บ่อยคือ 1 Mbit/s และค่าเริ่มต้นของ CAN_P1_BITRATE คือ 1,000,000

DroneCAN เป็นโพรโทคอลบน CAN สำหรับอากาศยานไร้คนขับ พัฒนาต่อจาก UAVCAN v0 ArduPilot และ PX4 รองรับอุปกรณ์ DroneCAN เช่น GPS เข็มทิศ ESC และ power module ข้อดีคือเดินสายน้อยลงและอุปกรณ์รายงานสถานะของตัวเองได้

for label, baud in (("telemetry", 57_600), ("GPS", 230_400)):
    bytes_per_s = baud / 10                       # 8N1 = 10 บิตต่อไบต์
    print(f"{label:<9} {baud:>7} baud -> {bytes_per_s:,.0f} bytes/s; a 40-byte message at 50 Hz uses "
          f"{40 * 50 / bytes_per_s:.0%} of the link")

bits = 9 * (1 + 1 + 1 + 6) + 2                    # ที่อยู่ ทะเบียน ที่อยู่ซ้ำ 6 ไบต์ข้อมูล + start/stop โดยประมาณ
for label, hz in (("I2C 100k", 100_000), ("I2C 400k", 400_000)):
    print(f"{label}: reading 6 bytes takes about {bits / hz * 1e6:.0f} µs")

telemetry   57600 baud -> 5,760 bytes/s; a 40-byte message at 50 Hz uses 35% of the link
GPS        230400 baud -> 23,040 bytes/s; a 40-byte message at 50 Hz uses 9% of the link
I2C 100k: reading 6 bytes takes about 830 µs
I2C 400k: reading 6 bytes takes about 208 µs

ตรวจข้อมูลเสียหายด้วย checksum

def make_frame(payload):
    body = bytes([len(payload)]) + payload
    checksum = 0
    for b in body:
        checksum ^= b
    return bytes([0xAA]) + body + bytes([checksum])


def check_frame(frame):
    if frame[0] != 0xAA or frame[1] != len(frame) - 3:
        return False
    checksum = 0
    for b in frame[1:-1]:
        checksum ^= b
    return checksum == frame[-1]


frame = make_frame(bytes([0x09, 0xC4, 0x01, 0x2C]))       # เช่น แรงดัน 2500 และอุณหภูมิ 300
print("frame:", frame.hex(" "), "| valid:", check_frame(frame))
damaged = bytearray(frame); damaged[3] ^= 0x10              # สัญญาณรบกวนทำให้บิตหนึ่งกลับค่า
print("damaged:", bytes(damaged).hex(" "), "| valid:", check_frame(bytes(damaged)))

frame: aa 04 09 c4 01 2c e4 | valid: True
damaged: aa 04 09 d4 01 2c e4 | valid: False

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• UART แบบ 8N1 ใช้ 10 บิตต่อไบต์ ส่งได้ baud/10 ไบต์ต่อวินาที
• I2C ใช้สองสายแบบมีที่อยู่ ต้องมี pull-up ส่วน SPI เร็วกว่าแต่ต้องมี CS แยกให้แต่ละอุปกรณ์
• CAN ทนสัญญาณรบกวน อุปกรณ์หลายตัวต่อบนสายคู่เดียว DroneCAN คือโพรโทคอลบน CAN สำหรับโดรน
• ข้อมูลที่ส่งควรมี checksum หรือ CRC เพื่อตรวจความเสียหาย

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. UART 115200 baud แบบ 8N1 ส่งได้กี่ไบต์ต่อวินาที
2. ความเร็ว Fast-mode ของ I2C คือเท่าใด
3. SPI ต่ออุปกรณ์สามตัวต้องมีสาย CS กี่เส้น
4. DroneCAN พัฒนาต่อจากโพรโทคอลใด
5. XOR ของไบต์ 0x0F กับ 0xF0 ได้เท่าใด