如何使用VOFA+？一款好用的上位机软件(VOFA+的三种数据传输协议）——以PID调参为例

起因

因为在学习PID算法，程序里并不能很好的展示调参效果，于是使用VOFA+，伏特加上位机软件来调试PID,可以很好的展示各个数据的直观曲线形式，特别适合数据变化较大的数据进行直观显示。

我们在下位机（单片机里进行调节参数），在上位机里查看数据变化的曲线，根据曲线进行动态调节参数，从而达到我们的目的

本文以调节PID位置式，以PID速度环闭环调试参数为例，来给大家带来如何使用VOFA+软件，来达到我们PID速度环闭环

一、VOFA+支持的三种数据传输协议

Vofa支持3种数据流方式：分别为：RawData、firewater、justfloat。

1. RawData：RawData协议适用于不需要解析数据，仅仅查看字节流的需求。RawData不做采样数据解析。RawData不做采样数据解析。就相当于普通的串口助手。
2. firewater：本协议是CSV风格的字符串流，直观简洁，编程像printf简单。但由于字符串解析消耗更多的运算资源（无论在上位机还是下位机），建议仅在通道数量不多、发送频率不高的时候使用。
3. justfloat：本协议是小端浮点数组形式的字节流协议，纯十六进制浮点传输，节省带宽。此协议非常适合用在通道数量多、发送频率高的时候。

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RawData协议格式

RawData：协议适用于不需要解析数据，仅仅查看字节流的需求。【可以直接当串口助手使用】
如果您只是想将本软件当成串口助手使用，选择RawData协议，可以保证接收到什么打印什么。

1、使用方法

意思是发什么，显示什么，可以字符串显示，可以Hex显示
选择RawData数据引擎

2、示例

stm32下位机程序示例

void RawData_Test(void)		//RawData数据协议  直接当串口助手使用 测试是否可行
{
    
    
    u1_SendByte(0x40);
    u1_SendByte(0x41);
    u1_SendByte(0x42);
    u1_SendByte(0x43);
	u1_SendByte(0x0d);
	u1_SendByte(0x0a);
}

3、测试

测试成功，单片机发什么，就接收什么，就相当于一个串口助手

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firewater协议格式

firewater：本协议是CSV风格的字符串流，直观简洁，编程像printf简单。但由于字符串解析消耗更多的运算资源（无论在上位机还是下位机），建议仅在通道数量不多、发送频率不高的时候使用。

1、使用方法

FireWater遇到换行才会打印数据,而且数据之间用逗号隔开，换行打印数据，并且显示数据曲线

2、数据格式

 "<any>:ch0,ch1,ch2,...,chN\n"

● any和冒号可以为空，但换行(\n)不可省略；
● any不可以为"image"，这个前缀用于解析图片数据；
● 此处\n为换行，并非指字符斜杠+字符n；
● \n也可以为\n\r，或\r\n。

3、示例

说白了，就是/n就会打印数据，逗号隔开通道
一个通道就

数据 \n
这就会显示这个通道的曲线，并且动态显示

两个通道

数据1 ，数据2 \n
代表两个通道，ch1和ch2,并将数据变化曲线动态显示

//FireWater数据协议  换行结尾  /n或/r/n  逗号分隔通道
//指定三个通道
float a=5,b=10,c=20;
void FireWater_Test(void)	
{
    
    
	a+=100;
	b+=50;
	c+=10;
    u1_printf("%.2f,%.2f,%.2f\n",a,b,c);
}

4、测试

测试成功 三条通道都成功输出波形

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justfloat协议格式

justfloat：本协议是小端浮点数组形式的字节流协议，纯十六进制浮点传输，节省带宽。此协议非常适合用在通道数量多、发送频率高的时候。

1、使用方法

小端浮点数组的形式传输数据，适用于通道数量多，且发送频率高的场景

2、数据格式

#define CH_COUNT <N>
struct Frame {
    
    
    float ch_data[CH_COUNT];
    unsigned char tail[4]{
    
    0x00, 0x00, 0x80, 0x7f};
};

● ch_data为小端浮点数组，里面放着需要发送的CH_COUNT个通道。
● tail为帧尾。

说白了就是，数据格式就是

浮点数据1，浮点数据2…帧尾
这里的帧尾是 0x00, 0x00, 0x80, 0x7f

3、示例

大家可以看示例，发送4个数据，把浮点数转换成了4个字节数据，然后加上帧尾。

我们如何把浮点数据与4个单字节转换？
大家可以看下面这篇链接：
浮点数据与4个单字节的转换

有了上面的认识之后，我们已经知道了如何将浮点数据转换为4个单字节的数据

所以我们在使用justfloat协议，把要传入的浮点数，转换为4个字节，然后帧尾结束就可以了，这样一个数据就发送到上位机了，上位机根据协议进行解析，将数据动态显示

/*
要点提示:
1. float和unsigned long具有相同的数据结构长度
2. union据类型里的数据存放在相同的物理空间
*/
typedef union
{
    
    
    float fdata;
    unsigned long ldata;
} FloatLongType;


/*
将浮点数f转化为4个字节数据存放在byte[4]中
*/
void Float_to_Byte(float f,unsigned char byte[])
{
    
    
    FloatLongType fl;
    fl.fdata=f;
    byte[0]=(unsigned char)fl.ldata;
    byte[1]=(unsigned char)(fl.ldata>>8);
    byte[2]=(unsigned char)(fl.ldata>>16);
    byte[3]=(unsigned char)(fl.ldata>>24);
}

void JustFloat_Test(void)	//justfloat 数据协议测试
{
    
    
    float a=1,b=2;	//发送的数据 两个通道
	
	u8 byte[4]={
    
    0};		//float转化为4个字节数据
	u8 tail[4]={
    
    0x00, 0x00, 0x80, 0x7f};	//帧尾
	
	//向上位机发送两个通道数据
	Float_to_Byte(a,byte);
	//u1_printf("%f\r\n",a);
	u1_SendArray(byte,4);	//1转化为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x80 0x3F
	
	Float_to_Byte(b,byte);
	u1_SendArray(byte,4);	//2转换为4字节数据 就是  0x00 0x00 0x00 0x40 
	
	//发送帧尾
	u1_SendArray(tail,4);	//帧尾为 0x00 0x00 0x80 0x7f

}

4、测试

测试结果如下，上位机解析成功

我发送的1和2数据，加上帧尾，这就是一个完整的数据帧

完整的数据帧是这样子

00 00 80 3F 00 00 00 40 00 00 80 7F
分别表示 1 2 帧尾

可以看到两条数据曲线

三种协议使用总结

• 大家如果只是想把VOFA+当普通的串口助手，可以选择RawData协议

• 大家如果对于数据传输通道数量不多、发送频率不高，而又想动态显示数据曲线的时候，可以选择firewater协议

• 而justfloat协议适用于通道数量多、发送频率高的时候，这是和firewater协议的最本质区别。

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二、PID调参

由于首先学习的是PID的位置式，所以本文以PID位置式来调节速度环，大家可以看看这个VOFA+上位机软件，直观感受一下

PID位置式

计算目标和实际的误差，经过pid计算后得到输出，返回

float PID_realize(float temp_val)	//tem_val为实际速度
{
    
    
    //计算目标值与实际值的误差
   pid.err=pid.target_val-temp_val;
   //误差累积
   pid.integral+=pid.err;
   //PID算法实现
   pid.actual_val=pid.Kp*pid.err+pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);
   //误差传递
   pid.err_last=pid.err;
   //返回当前实际值
   return pid.actual_val;
}

调参记录

周期读取脉冲数 这里定的是10ms
设置目标速度30（这里脉冲数近似速度） 读取到的脉冲数作为pid输入
经过pid计算后的out传入pwm设置占空比

kp

• 1、判断kp极性

kp= -10

绿线表示pid运算得出的结果值
红线表示实际速度
蓝线表示目标速度

使用上位机查看曲线，可以看到，并没有很快的接近目标值，并且输出以最大转速，说明kp极性反了

• 调节kp

kp=10

可以看到这次的极性正确了，曲线迅速接近目标速度，达到25

再次调节kp

kp=20

可以看到，这一次实际速度更加接近目标值了，但是实际速度曲线有些抖动，这说明我们应该是到kp的极限了，所以我们往下调一下

再次调节kp

kp=15

这次看到kp=15的时候，和20的时候，实际速度差不多，而且pid输出的曲线也更加平滑了，所以我们就取kp=15

但是无论怎么调，我们都无法达到目标值，所以这个时候就需要积分，即ki

ki

ki=0.5

可以看到实际值迅速到达目标值，且调参效果较好，我们再加加ki看看

调节ki

ki=1.0

可以看到，这与我们期望的速度相同，大体实现速度环要求，上下误差2，速度较为平稳

kd

试试kd

kd=1.0

调节kd后，曲线震荡的周期变快了，我们可以和上一个曲线对比

看，曲线的震荡频率加快

虽然目前还没有完全理解这几个参数，但大体上了解这个参数应该如何调节，这个参数实际上使用VOFA+可视化曲线一边调一遍看，调节就很好调了

注意：我这里只是以VOFA+调节PID参数直观显示为例，如果调节错误，还请大家多多包含。

三、总结

本文总结了VOFA+的使用，以及三种数据传输协议的使用方法和示例。

大家可以直接使用我的示例，稍微修改一下就可以直接使用VOFA+上位机软件了

然后展示了如何使用VOFA+软件调节PID参数，很明显这里的PID参数调节还存在很多问题

目前还在学习中

如果错误，欢迎指出

VOFA+官方手册

VOFA+官方手册