基于MSP的無人機通信協議開發設計

趙旭 彭克勤 北京信息科技大學計算機學院

基于MSP的無人機通信協議開發設計

趙旭 彭克勤 北京信息科技大學計算機學院

在無人機應用趨向廣泛的今天，無人機發展已成為一股潮流，隨之而來的是大量愛好者的涌入，以及開源飛控的熱門。本文從基于Multiwii飛控的通信協議的講解，說明MSP(Multiwii Serial Protocol)的開發設計模式。

無人機 開源飛控 Multiwii 通信協議

1 MSP的簡介

MSP（Multiwii Serial Protocol）是用于上位機與基于Multiwii飛控通訊的協議。使用MSP可使操作端更輕便，更具有通用性（例如使用GUI，OSD，遙控或是自制遙控裝置控制無人機或從無人機中獲取信息）；MSP具有以下特征：

(1)．效率更高：傳輸數據為2進制代碼

(2)．更安全：數據傳輸伴隨校驗和，避免無人機被劫持

(3)．對代碼升級依賴更少：代碼升級對GUI等控制端影響更小

使用MSP將大大拓展與無人機的通訊方式，而不僅僅局限于2．4G信號（大多數移動設備，或是PC都沒有配備2．4G模塊），也就大大拓寬了無人機上位機開發的方向。

注：1．無人機專指基于Multiwii飛控的無人機。

2．Multiwii版本在 2．3 之后（包含 2．3）無需在 config．h中選擇RCSERIAL（RC Serial）預編譯選項。

2 MSP的工作流程

串口通訊均有TX,RX兩端口，其中TX用于發送數據，RX用于接收數據。在實際應用時只需把相應傳輸模塊（wifi，藍牙）TX端與飛控板的RX連接，RX端與飛控板的TX連接，若是藍牙模塊，需設置傳輸波特率為115200。上位機連接上傳輸模塊后，編寫符合傳輸格式的指令計算指令，即可接收或是發送數據。

3 MSP的傳輸格式及數據類型

MSP的數據傳輸格式包含：數據頭（header），方向（direction）大小（size），類型（type），數據包（data），校驗和（checksum）。一條MSP消息中，每一個元素都是使用byte類型來存儲數據。

（1）header：數據頭，包含兩個byte，$,M，表示這條數據是一條Multiwii傳輸用數據，所有指令必須包含這一部分。

（2）direction：方向，包含一個byte，＜或＞。向飛控發送指令時，direction為＜；從飛控獲取信息時，direction為＞。

（3）size：數據大小，包含一個byte，用來描述data的個數，例如，data有4個字符，那size就為0x04，但是注意數據的總長度不能超過64。

type：類型，標明這條指令的目的，填入內容根據MSP官方文檔中的message_id來定義

例：如需獲取無人機身份信息，message_id查表可知為100，則type為ASCII碼為100的byte（或用十六進制表示為0x64（數據類型為byte））。

注：官方文檔鏈接 http：//www．multiwii．com/wiki/index．php？title=Multiwii_Serial_Protocol

（4）data：傳輸數據，包含n個byte類型數據（數量根據MSP文檔中不同Command所需要傳輸的數據個數來定）。當傳輸是8-bit數據時，可直接將8-bit數據加入數據鏈中，若傳輸數據為16-bit或是32-bit數據時，需要將數據拆分為2個8-bit或四個8-bit數據，且低八位在前，高八位在后，例如：

傳輸的data中的一個int型16-bit數據為1192，十六進制表示為0x4A8，在加入數據鏈之前需拆分為兩個8-bit數據：0x04（高八位）,0xA8（低八位），然后加入順序為0xA8（低八位），0x04（高八位）。

32-bit數據亦然，拆分后，最先加入數據鏈的是位級最低的八位數據，越后加入，位級越高。

（5）checksum（crc）：校驗和，包含一個byte數據，用來保證通信中數據的完整性和準確性。算法：初始化一個校驗和為零后，依次從數據鏈中從size開始的每一個元素與0xff作與運算的結果作異或運算，直至data中的最后一個元素，與0xff作或運算保證了每一個元素的二進制數據的一致性。

例如：初始化校驗和（checksum）為0x00后，與size（假設為0x04）作與運算表示為

checksum ^= (size&0xff)

若只需從FC獲取信息，data即為空，size為0，所以校驗和command一致，如下圖。

4 具體實現

發送消息：

MSP消息中比較固定的信息可以使用一個類中的靜態變量（數據類型為byte）來表示，例如：MSP消息中的header，direction，和type部分。

data部分若添加8-bit數據時，直接向data鏈中添加byte類型數據即可，若為16-bit需將數據拆分為兩個8-byte數據，

具體方法：

拆分目標：int target = 0x4A8，二進制表示：0000 0100，1010 1000

拆分時高八位為byte lower_byte = (byte)(target＞＞8)

低八位為byte upper_byte = (byte)target

根據Multiwii源碼決定，MSP消息中，如遇到需發送16-bit數據時，低八位在前，后八位在后。

拆分原理：java語言中高位數據向低位數類型轉換時僅會保留高位數據的低位數，例如16-bit向8-bit數據轉換時，16-bit數據保留低八位，賦值給8-bit數據，且最高位保存為符號位。數據右移時，低位數據被高位數據占據，原本高位數據變為0，右移后可將原本在高位的數據移到低位。結合以上兩點，使用高位數據向低位數據轉換可獲得高位數據的低位部分，使用移位后，再配合類型轉換即可獲取高位數據的高位部分。

校驗和（checksum）：根據MSP規定的校驗和算法，需要初始話一個byte類型，初值為0的數據，先與size，type分別作異或運算，隨后再逐一與data里的數據作異或運算(^=)直到data的最后一位（包含最后一位）。

接收到的消息格式如下

驗證數據：接收到消息后因為header和direction是固定部分，所以我們開始從size開始分析。在使用這條消息之前，需驗證數據是否有丟失情況，具體方法：計算這條消息的校驗和，然后再判斷是否與消息自帶的校驗和相等。若相等，說明數據無丟失，可以使用；若不想等則丟棄數據，重新發起請求。

使用數據：可以根據type來確定MSP消息的目的，從而確定MSP的功能，再根據MSP用列表去分析data中的數據。

圖中的message_id為MSP消息中的type；direction中FC-＞說明消息來自飛控。-＞FC說明消息發往飛控。圖中type說明接收到的數據類型。comment為對數據的解釋。UINT 8：8-bit int型數據。UINT 16：16-bit int型數據類型。UINT 32：32-bit int型數據類型。

當接收到的data為8-bit（圖中的UINT 8）時，每個數據即為接收到的消息的data鏈中的一個byte，如果為16-bit（32-bit），每個數據就由data數據鏈中的兩個byte(四個byte)組成，與發送時的規則一致，兩個（四個）組成元素中，前面的是低數據位，后面的是高數據位，獲取到組成元素之后先將高位數據賦值給目標數據，再將目標數據左移，再將低位數據加到目標數據上。

例：發送 0x24 0x4D 0x3C 0x00 0x64 0x64（對應圖中MSP_IDENT：獲取飛控信息）后

接收到的消息為：0x24 0x4D 0x3E 0x07 0x64 0xE6 0x03 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x86

將消息分解后 0x24 0x4D（header）

0x3 E（direction）

0x07 （size）

0x64 （type）

0xE6 0x03 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00（data）

0 x86（checksum）

有MSP樣例表（上圖）可知，data部分包含四個數據：VERSION（UINT 8），MULTITYPE（UINT 8），MSP_VERSION(UINT 8), capability（UINT 32）

根據規則：

VERSION（UINT 8） = 0xE6 = 230（版本為 2．3）

MULTITYPE（UINT 8） = 0x03 = 3（QUAD X）

MSP_VERSION（UINT 8）= 0x00

Capability（UINT 32） 為了區分，四個部分分別改為 ：0x01 0x02 0x03 0x04拼裝后：0x4321 = 17185

5 結語

完成了對MSP的設計，就可以和Multiwii無人機進行通訊，也就可以對無人機進行開發。使用串口通訊控制無人機除了距離不如2．4Ghz，其他方面都與2．4Ghz無異。而且使用串口通訊之后，就可以使用掌上設備來控制無人機，就可以使無人機的應用大大拓寬。

[1]MWC飛控V2.3串口通信協議——new Multiwii Serial Protocol：http://www.cnblogs.com/2cats/p/3501033.html

[2]Multiwii serial protocol 官方文檔http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=Multiwii_Serial_Protocol

[3]與0xff作與運算的目的http://www.cnblogs.com/think-injava/p/5527389.html

[4] MSP - The Multiwii serial protocol http://www.stefanocottafavi.com/msp-the-multiwii-serial-protocol/

[5]Java中byte，int的轉換http://freewind886.blog.163.com/blog/static/661924642011810236100/

趙旭，男，本科，北京信息科技大學計算機學院。彭克勤，女，碩士，副教授，北京信息科技大學計算機學院。