如何使用ROS 2与STM32进行串口通信，并实现通过键盘按键‘1’来控制LED灯开关

系统架构概述

本项目的目标是构建一个分布式控制系统：一台运行ROS 2的计算机（上位机）通过串口向一颗STM32微控制器（下位机）发送指令，从而控制连接在STM32上的LED灯。键盘作为用户输入设备，由ROS 2节点监听，最终将按键事件转化为通过串口发送的指令。

整个系统的数据流可以清晰地用下图表示：

复制代码

核心组件：

ROS2节点 (keyboard_control_node)：负责监听键盘事件，并通过串口发送控制指令。
串口通信：基于UART协议，是ROS2与STM32之间的物理和数据链路。
STM32固件：负责解析指令并直接控制GPIO引脚。

硬件准备与连接

所需硬件
- STM32开发板（如STM32F103C8T6）
- USB转TTL串口模块（如CH340、CP2102）
- LED灯及合适阻值的限流电阻（如220Ω）
- 跳线、面包板若干
- 运行Ubuntu和ROS2（Humble或更新版本）的电脑
硬件连接 （至关重要，务必准确）
- USB转TTL模块的TX 接 STM32的RX（例如PA10）
- USB转TTL模块的RX 接 STM32的TX（例如PA9）
- USB转TTL模块的GND 接 STM32的GND （必须共地）
- LED正极 通过电阻接STM32的GPIO引脚（例如PA8）
- LED负极 接GND
接线示意图如下：
复制代码

STM32下位机程序实现

STM32端的任务是初始化串口和GPIO，并不断监听来自串口的指令，根据指令控制LED。

核心代码逻辑（主循环）

以下代码展示了一个简单的STM32程序框架，它持续检查串口是否收到数据，并根据收到的字符控制LED。

objectivec 复制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"

// 定义接收缓冲区和状态
#define RX_BUF_SIZE 64
char uart_rx_buf[RX_BUF_SIZE];
uint8_t rx_index = 0;
uint8_t cmd_ready = 0;

int main(void) {
    // 初始化系统时钟、LED GPIO（推挽输出）、串口（波特率115200，8N1）
    // ... 硬件初始化代码 (基于HAL库或标准库) ...

    while(1) {
        // 检查是否收到一行完整的命令（以换行符'\\n'结束）
        if(cmd_ready) {
            cmd_ready = 0;
            process_command(uart_rx_buf); // 处理命令
            rx_index = 0; // 重置缓冲区索引
        }
        // 其他主循环任务...
    }
}

// 串口中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void) {
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        char received_char = USART_ReceiveData(USART1);
        // 简单协议：以换行符'\\n'作为一帧命令的结束
        if(received_char == '\\n') {
            if(rx_index > 0) {
                uart_rx_buf[rx_index] = '\\0'; // 添加字符串结束符
                cmd_ready = 1;
            }
        } else {
            // 将字符存入缓冲区，防止溢出
            if(rx_index < RX_BUF_SIZE - 1) {
                uart_rx_buf[rx_index++] = received_char;
            }
        }
    }
}

// 命令处理函数
void process_command(char* cmd) {
    if(strcmp(cmd, "LED_ON") == 0) {
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8); // 点亮LED
    } else if(strcmp(cmd, "LED_OFF") == 0) {
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8);   // 熄灭LED
    }
    // 可以添加更多命令，如"LED_TOGGLE"
}

串口与GPIO初始化

关键步骤包括使能时钟、配置GPIO为复用功能、设置串口参数（波特率115200、8位数据位、无校验位、1位停止位）以及使能中断。

ROS 2上位机程序实现

ROS 2节点负责监听键盘事件，并通过串口发送约定的指令。

创建功能包

bash 复制代码

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python stm32_keyboard_control --dependencies rclpy

核心代码逻辑（键盘控制节点）

创建一个Python文件（如 keyboard_control_node.py）。这个节点使用 pyserial库进行串口通信，并监听键盘输入。

python 复制代码

#!/usr/bin/env python3
import serial
import rclpy
from rclpy.node import Node
import termios
import tty
import sys
import select
import threading
import time

class KeyboardLEDControl(Node):

    def __init__(self):
        super().__init__('keyboard_led_control')
        # 参数声明
        self.declare_parameter('serial_port', '/dev/ttyUSB0')
        self.declare_parameter('baudrate', 115200)
        serial_port = self.get_parameter('serial_port').value
        baudrate = self.get_parameter('baudrate').value

        # 串口初始化
        try:
            self.serial_conn = serial.Serial(serial_port, baudrate, timeout=1)
            time.sleep(2)  # 等待串口稳定
            self.get_logger().info(f'Successfully connected to {serial_port}')
        except Exception as e:
            self.get_logger().error(f'Could not open serial port: {e}')
            raise e

        # 保存原始终端设置，并设置为原始模式以立即捕获按键
        self.old_settings = termios.tcgetattr(sys.stdin)
        tty.setraw(sys.stdin.fileno())

        # 状态变量
        self.led_state = False
        self.is_running = True

        # 在独立线程中启动键盘监听，避免阻塞ROS2
        self.keyboard_thread = threading.Thread(target=self._keyboard_listener)
        self.keyboard_thread.daemon = True
        self.keyboard_thread.start()

        self.get_logger().info('Keyboard listener started. Press "1" to toggle LED, "Esc" to exit.')

    def _keyboard_listener(self):
        """核心键盘监听循环"""
        while self.is_running and rclpy.ok():
            # 使用select非阻塞读取
            rlist, _, _ = select.select([sys.stdin], [], [], 0.1)
            if rlist:
                key = sys.stdin.read(1)
                self._handle_key_press(key)

    def _handle_key_press(self, key):
        """处理按键"""
        if key == '1':
            self.toggle_led()
        elif key == '\\x1b':  # ESC键
            self.get_logger().info("ESC pressed, shutting down...")
            self.is_running = False
            # 清理工作可在destroy_node中完成

    def toggle_led(self):
        """切换LED状态并发送命令"""
        if self.led_state:
            command = "LED_OFF"
            self.led_state = False
            self.get_logger().info("Turning LED OFF")
        else:
            command = "LED_ON"
            self.led_state = True
            self.get_logger().info("Turning LED ON")
        self._send_command(command)

    def _send_command(self, command):
        """通过串口发送命令"""
        try:
            full_command = command + '\\n'
            self.serial_conn.write(full_command.encode('utf-8'))
            self.serial_conn.flush()
            self.get_logger().debug(f'Sent: {command}')
        except Exception as e:
            self.get_logger().error(f'Failed to send command: {e}')

    def destroy_node(self):
        """节点清理"""
        self.is_running = False
        termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, self.old_settings) # 恢复终端
        if hasattr(self, 'serial_conn') and self.serial_conn.is_open:
            self.serial_conn.close()
        super().destroy_node()

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = KeyboardLEDControl()
    try:
        rclpy.spin(node)
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    finally:
        node.destroy_node()
        rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

配置、编译与运行
- 修改 setup.py ：确保 entry_points中的 console_scripts指向正确的节点。
- 设置串口权限 ：每次重新插拔USB设备后可能需要执行 sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0，或将用户加入 dialout组永久解决 (sudo usermod -a -G dialout $USER，需重新登录)。
- 编译功能包 ：colcon build --packages-select stm32_keyboard_control
- 运行节点 ：ros2 run stm32_keyboard_control keyboard_control_node --ros-args -p serial_port:=/dev/ttyUSB0

通信协议设计

一个简单可靠的协议至关重要。本项目采用文本协议，优点是可读性好，便于调试。

指令格式 ："LED_ON\n"和 "LED_OFF\n"。换行符 \n作为帧结束符，帮助STM32判断一条指令是否接收完整。
一致性：务必保证ROS 2节点发送的指令字符串与STM32端解析的字符串完全一致。

调试技巧与常见问题排查

STM32端独立测试
- 烧录程序后，使用串口调试助手（如minicom、picocom或cutecom）直接向STM32发送LED_ON和LED_OFF字符串，验证STM32硬件和固件是否正常工作。
- 在STM32端添加"回声"功能，将收到的数据原样发回，验证数据通路。
ROS 2节点调试
- 在 _send_command函数中添加详细日志，确认指令是否已生成并尝试发送。
- 使用 ros2 topic list和 ros2 topic echo命令检查节点是否正常运行。
常见问题
- LED无反应：检查硬件连接（TX/RX是否接反、共地）、串口权限、波特率是否一致。
- 按键无响应：确保运行节点的终端窗口处于焦点状态。本方案使用原始终端模式，不依赖图形界面，可靠性更高。
- 数据错误：检查协议一致性，确保STM32端正确解析换行符。

总结与扩展

通过本项目，我们成功搭建了一个典型的ROS 2与微控制器通信的框架。这个框架可以轻松扩展：

控制更多设备：如电机、舵机、传感器等。
实现双向通信：让STM32将传感器数据（如温度、距离）发送回ROS 2，并在ROS 2中发布为话题。
引入更复杂的协议：如加入校验和确保数据可靠性，或使用二进制协议提高传输效率。