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：

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

1. 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

2. 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：

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。

1. 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。

   #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"
   }

2. 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。

1. 创建功能包

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

2. 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。

   #!/usr/bin/env python3
   import serial
   import rclpy
   from rclpy.node import Node
   import termios
   import tty
   import sys
   import select
   import threading
   import timeclass 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').valuebaudrate = 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 = Falseself.is_running = True# 在独立线程中启动键盘监听，避免阻塞ROS2self.keyboard_thread = threading.Thread(target=self._keyboard_listener)self.keyboard_thread.daemon = Trueself.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 = Falseself.get_logger().info("Turning LED OFF")else:command = "LED_ON"self.led_state = Trueself.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 = Falsetermios.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:passfinally:node.destroy_node()rclpy.shutdown()if __name__ == '__main__':main()

3. 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

1. 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。

2. 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。

3. 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。