基于MSP的无人机通信协议开发设计

赵旭 彭克勤 北京信息科技大学计算机学院

基于MSP的无人机通信协议开发设计

赵旭 彭克勤 北京信息科技大学计算机学院

在无人机应用趋向广泛的今天，无人机发展已成为一股潮流，随之而来的是大量爱好者的涌入，以及开源飞控的热门。本文从基于Multiwii飞控的通信协议的讲解，说明MSP(Multiwii Serial Protocol)的开发设计模式。

无人机 开源飞控 Multiwii 通信协议

1 MSP的简介

MSP（Multiwii Serial Protocol）是用于上位机与基于Multiwii飞控通讯的协议。使用MSP可使操作端更轻便，更具有通用性（例如使用GUI，OSD，遥控或是自制遥控装置控制无人机或从无人机中获取信息）；MSP具有以下特征：

(1)．效率更高：传输数据为2进制代码

(2)．更安全：数据传输伴随校验和，避免无人机被劫持

(3)．对代码升级依赖更少：代码升级对GUI等控制端影响更小

使用MSP将大大拓展与无人机的通讯方式，而不仅仅局限于2．4G信号（大多数移动设备，或是PC都没有配备2．4G模块），也就大大拓宽了无人机上位机开发的方向。

注：1．无人机专指基于Multiwii飞控的无人机。

2．Multiwii版本在 2．3 之后（包含 2．3）无需在 config．h中选择RCSERIAL（RC Serial）预编译选项。

2 MSP的工作流程

串口通讯均有TX,RX两端口，其中TX用于发送数据，RX用于接收数据。在实际应用时只需把相应传输模块（wifi，蓝牙）TX端与飞控板的RX连接，RX端与飞控板的TX连接，若是蓝牙模块，需设置传输波特率为115200。上位机连接上传输模块后，编写符合传输格式的指令计算指令，即可接收或是发送数据。

3 MSP的传输格式及数据类型

MSP的数据传输格式包含：数据头（header），方向（direction）大小（size），类型（type），数据包（data），校验和（checksum）。一条MSP消息中，每一个元素都是使用byte类型来存储数据。

（1）header：数据头，包含两个byte，$,M，表示这条数据是一条Multiwii传输用数据，所有指令必须包含这一部分。

（2）direction：方向，包含一个byte，＜或＞。向飞控发送指令时，direction为＜；从飞控获取信息时，direction为＞。

（3）size：数据大小，包含一个byte，用来描述data的个数，例如，data有4个字符，那size就为0x04，但是注意数据的总长度不能超过64。

type：类型，标明这条指令的目的，填入内容根据MSP官方文档中的message_id来定义

例：如需获取无人机身份信息，message_id查表可知为100，则type为ASCII码为100的byte（或用十六进制表示为0x64（数据类型为byte））。

注：官方文档链接 http：//www．multiwii．com/wiki/index．php？title=Multiwii_Serial_Protocol

（4）data：传输数据，包含n个byte类型数据（数量根据MSP文档中不同Command所需要传输的数据个数来定）。当传输是8-bit数据时，可直接将8-bit数据加入数据链中，若传输数据为16-bit或是32-bit数据时，需要将数据拆分为2个8-bit或四个8-bit数据，且低八位在前，高八位在后，例如：

传输的data中的一个int型16-bit数据为1192，十六进制表示为0x4A8，在加入数据链之前需拆分为两个8-bit数据：0x04（高八位）,0xA8（低八位），然后加入顺序为0xA8（低八位），0x04（高八位）。

32-bit数据亦然，拆分后，最先加入数据链的是位级最低的八位数据，越后加入，位级越高。

（5）checksum（crc）：校验和，包含一个byte数据，用来保证通信中数据的完整性和准确性。算法：初始化一个校验和为零后，依次从数据链中从size开始的每一个元素与0xff作与运算的结果作异或运算，直至data中的最后一个元素，与0xff作或运算保证了每一个元素的二进制数据的一致性。

例如：初始化校验和（checksum）为0x00后，与size（假设为0x04）作与运算表示为

checksum ^= (size&0xff)

若只需从FC获取信息，data即为空，size为0，所以校验和command一致，如下图。

4 具体实现

发送消息：

MSP消息中比较固定的信息可以使用一个类中的静态变量（数据类型为byte）来表示，例如：MSP消息中的header，direction，和type部分。

data部分若添加8-bit数据时，直接向data链中添加byte类型数据即可，若为16-bit需将数据拆分为两个8-byte数据，

具体方法：

拆分目标：int target = 0x4A8，二进制表示：0000 0100，1010 1000

拆分时高八位为byte lower_byte = (byte)(target＞＞8)

低八位为byte upper_byte = (byte)target

根据Multiwii源码决定，MSP消息中，如遇到需发送16-bit数据时，低八位在前，后八位在后。

拆分原理：java语言中高位数据向低位数类型转换时仅会保留高位数据的低位数，例如16-bit向8-bit数据转换时，16-bit数据保留低八位，赋值给8-bit数据，且最高位保存为符号位。数据右移时，低位数据被高位数据占据，原本高位数据变为0，右移后可将原本在高位的数据移到低位。结合以上两点，使用高位数据向低位数据转换可获得高位数据的低位部分，使用移位后，再配合类型转换即可获取高位数据的高位部分。

校验和（checksum）：根据MSP规定的校验和算法，需要初始话一个byte类型，初值为0的数据，先与size，type分别作异或运算，随后再逐一与data里的数据作异或运算(^=)直到data的最后一位（包含最后一位）。

接收到的消息格式如下

验证数据：接收到消息后因为header和direction是固定部分，所以我们开始从size开始分析。在使用这条消息之前，需验证数据是否有丢失情况，具体方法：计算这条消息的校验和，然后再判断是否与消息自带的校验和相等。若相等，说明数据无丢失，可以使用；若不想等则丢弃数据，重新发起请求。

使用数据：可以根据type来确定MSP消息的目的，从而确定MSP的功能，再根据MSP用列表去分析data中的数据。

图中的message_id为MSP消息中的type；direction中FC-＞说明消息来自飞控。-＞FC说明消息发往飞控。图中type说明接收到的数据类型。comment为对数据的解释。UINT 8：8-bit int型数据。UINT 16：16-bit int型数据类型。UINT 32：32-bit int型数据类型。

当接收到的data为8-bit（图中的UINT 8）时，每个数据即为接收到的消息的data链中的一个byte，如果为16-bit（32-bit），每个数据就由data数据链中的两个byte(四个byte)组成，与发送时的规则一致，两个（四个）组成元素中，前面的是低数据位，后面的是高数据位，获取到组成元素之后先将高位数据赋值给目标数据，再将目标数据左移，再将低位数据加到目标数据上。

例：发送 0x24 0x4D 0x3C 0x00 0x64 0x64（对应图中MSP_IDENT：获取飞控信息）后

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

将消息分解后 0x24 0x4D（header）

0x3 E（direction）

0x07 （size）

0x64 （type）

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

0 x86（checksum）

有MSP样例表（上图）可知，data部分包含四个数据：VERSION（UINT 8），MULTITYPE（UINT 8），MSP_VERSION(UINT 8), capability（UINT 32）

根据规则：

VERSION（UINT 8） = 0xE6 = 230（版本为 2．3）

MULTITYPE（UINT 8） = 0x03 = 3（QUAD X）

MSP_VERSION（UINT 8）= 0x00

Capability（UINT 32） 为了区分，四个部分分别改为 ：0x01 0x02 0x03 0x04拼装后：0x4321 = 17185

5 结语

完成了对MSP的设计，就可以和Multiwii无人机进行通讯，也就可以对无人机进行开发。使用串口通讯控制无人机除了距离不如2．4Ghz，其他方面都与2．4Ghz无异。而且使用串口通讯之后，就可以使用掌上设备来控制无人机，就可以使无人机的应用大大拓宽。

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

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

[3]与0xff作与运算的目的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的转换http://freewind886.blog.163.com/blog/static/661924642011810236100/

赵旭，男，本科，北京信息科技大学计算机学院。彭克勤，女，硕士，副教授，北京信息科技大学计算机学院。