振动分析仪控制协议审查：电量、增益与编码冲突

研究笔记更新于 2026-10-03编辑本文

这是一份振动分析仪项目的电量与模拟前端控制协议审查。原文保留了 8 字节帧、串口参数、增益选项和 GPIO 名称，但数据1的位域定义与配置表互相矛盾。在取得实际固件或抓包前，不能把其中任一套编码当作已经确认的设备协议。

下文保留原始设计信息，把确定的数学关系、历史示例和待确认的硬件行为分开。末尾 Python 程序只验证帧封装和文本一致性，不连接设备，也没有更改现有固件协议。

1. 版本与通信条件

原记录将 v1.0 记为初版，v2.0 修订日期写为 2024-12，文章首次发布于 2025-12-17。没有附固件版本或提交号，不能据此判断服务器或设备当前正在使用哪一版。

项目	原记录中的约定
连接	PC 经 CH340 USB 转串口连接 STM32
波特率	115200 bit/s
串口格式	8 数据位、无校验、2 停止位，即 8N2
响应超时建议	500 ms
重试建议	最多重试 3 次；是否包括首发必须由实现明确

USB 数据包边界不等于 UART 应用帧边界，程序应按字节流累积和解析。端口名 COM3 只是原 Windows 示例中的选择，并不是设备固有标识。

2. 8 字节帧结构

字节偏移	内容	约定
0	帧头	`0xAA`
1	命令	`cmd`
2～5	数据1～4	`d1,d2,d3,d4`
6	累加和	`(cmd+d1+d2+d3+d4) & 0xFF`
7	帧尾	`0x55`

校验不包含帧头和帧尾。它只能检测部分传输错误，不是 CRC，也不提供认证。数据中可以出现 AA 或 55；因为长度固定，不能简单遇到任意 55 就结束帧。

命令	方向	数据含义
`01`	PC → STM32	电量查询，4 字节填零
`81`	STM32 → PC	电量百分比、充电状态、0、0
`02`	PC → STM32	设置配置，数据1～4见下文
`82`	STM32 → PC	回显数据1、状态码、0、0
`03`	PC → STM32	配置查询，4 字节填零
`83`	STM32 → PC	返回当前数据1～4
`F0`	原文定义为双向	心跳，4 字节填零；回复规则待消除反射问题

响应码 = 请求码 | 0x80 适用于 01/02/03，不能把 F0 当作按此规则区分请求与响应的命令。

3. 电量与设置状态

电量响应 81 的数据1为 0～100；数据2为 0=放电、1=充电；数据3、4为零。解析器应拒绝超范围电量和未知状态，不把任何非 1 值都默认为放电。

设置响应 82 的数据2状态如下：

值	原定义
`00`	设置成功
`01`	传感器或工作模式参数错误
`02`	增益配置错误
`03`	硬件故障
`FF`	未知错误

这些响应约定不证明硬件实际执行了设置。若需要确认，设置后还应查询 83 并比对全部配置字段。

4. 数据1：必须解决的编码冲突

原文声明：传感器占 bit[7:5]，001=DIF、010=IEPE；通道占 bit4，0=A、1=B；模式占 bit[3:0]，0001=BAL、0010=VIB。因此按声明只能得到：

data1 = (sensor << 5) | (channel << 4) | mode

但原表和 GPIO 分支用了另一组数值：

传感器/通道/模式	原表与原样例值	严格按声明位域推导	原 GPIO 名称
IEPE / A / BAL	`21`	`41`	`IEPE_BAL_A`
IEPE / A / VIB	`22`	`42`	`IEPE_VIB_A`
IEPE / B / BAL	`31`	`51`	`IEPE_BAL_B`
IEPE / B / VIB	`32`	`52`	`IEPE_VIB_B`
DIF / A / BAL	`11`	`21`	`DIF_BAL_A`
DIF / A / VIB	`12`	`22`	`DIF_VIB_A`
DIF / B / BAL	`19`	`31`	`DIF_BAL_B`
DIF / B / VIB	`1A`	`32`	`DIF_VIB_B`

例如 0x22 >> 5 = 1，按位域代表 DIF，而原表称 IEPE；0x19 >> 5 = 0，按位域是保留传感器，而且低 4 位为 9，不是 BAL。原 Python 根据位域构造，原 STM32 解析也使用移位，但前面的映射表使用另一套值，二者不能直接互通。

这里不擅自给设备换码。 应取得正在运行的固件、上位机版本与至少一组已知配置的抓包，确认真实编码。如果固件采用查表编码，文档应明确写成枚举表；如果采用位域，应统一修正表格、样例和双方代码，并按兼容性要求发布协议新版本。

5. 数据2～4：保留原增益与频段约定

字段	位	原定义	对应 GPIO
数据2	[1:0]	VIB 增益：0→0.5、1→1、2→5、3→10	`VIB_A0`=bit0，`VIB_A1`=bit1
数据3	[1:0]	BAL 前级：0→2.5、1→5、2→10、3→20	`INT_AMP_A0`=bit0，`INT_AMP_A1`=bit1
数据4	[1:0]	BAL 后级：0→1、1→2.5、2→5、3→10	`END_A`=bit0，`END_B`=bit1
数据4	7	0→5～200 Hz，1→0.5～10 Hz	`INT_FREQ_SEL`

数据2、3的高6位以及数据4的 bit[6:2] 保留填零。数据4由频段位与后级码组合，所以高频段四个值为 00/01/02/03，低频段四个值为 80/81/82/83。

原文约定 VIB 模式使用数据2，BAL 模式使用数据3、4，不适用字段建议填零；固件是否忽略还是拒绝非零保留字段需统一实现。无效增益不能像原 Python 示例那样通过 dict.get(...,0) 静默替换成第一档，拼错传感器或模式也不能默认切到另一选项。

频段和增益均是本项目的历史设计参数，未附原理图或测量报告，不能据此保证实际模拟频响。特别是包含积分器时，不能把总传递函数仅写成前级增益乘后级增益：

H(j\omega)=G_{\rm pre}\,H_{\rm int}(j\omega)\,G_{\rm post}.

理想积分器的幅值随频率变化；实际电路还包含转折频率和限幅。前后级档位的乘积只能描述这两个放大环节的倍率，不等于整个积分通道的固定增益。

6. GPIO 提交需要完整状态

原定义 MODE=1 为动平衡、MODE=0 为振动，每个通道的四个选择引脚分别对应 IEPE/DIF 与 BAL/VIB。应先验证整帧、解码为候选配置，再按硬件规定的顺序切换，最后更新软件状态并回复。

原伪代码仅演示 A 通道，没有实现 B 通道；它也没有真正检查全部增益和保留位，却可能返回成功。检查 A 通道四选一不能替代 B 通道检查，更不能在切换过程中留下两个互斥引脚同时有效。

只有一个 MODE 引脚时，两个通道是否能够采用不同模式需要原理图确认。不能一边宣称双通道独立，一边忽略全局模式或共享增益引脚的约束。实际采用先断后接、禁止采集期间切换还是其他过程，应由模拟电路与固件设计共同确定。

7. 原始帧样例及其适用范围

以下保留原字节序列。累加校验已重算；配置相关帧只作为历史字节样例，语义仍受第4节冲突影响。

历史用途	请求	响应
电量查询，返回80%充电中	`AA 01 00 00 00 00 01 55`	`AA 81 50 01 00 00 D2 55`
原称 IEPE/A/VIB/5倍	`AA 02 22 02 00 00 26 55`	`AA 82 22 00 00 00 A4 55`
原称 DIF/B/BAL，低频段、前级20、后级5	`AA 02 19 00 03 82 A0 55`	`AA 82 19 00 00 00 9B 55`
查询上行历史配置	`AA 03 00 00 00 00 03 55`	`AA 83 19 00 03 82 21 55`
心跳历史格式	`AA F0 00 00 00 00 F0 55`	原文规定相同字节返回，存在下述歧义

校验正确只说明字节和一致，不证明传感器、模式或引脚映射正确。

8. 心跳、超时和重试

原文建议每 5 秒心跳，双方收到 F0 就原样返回。若双方都无条件执行该规则，一个包会不断触发另一个包。可选方案包括固定 PC 发起、设备仅回应、PC 消费回应而不再回复；或者在新协议中增加请求/响应标志及序号。最终方案必须写进双方实现。

校验失败丢弃不响应时，上位机应使用事务总截止时间，不能每读到一点数据就无限重置超时。串口读一次 read(8) 可能因超时返回不足8字节，应保留残片继续解析；见 pySerial read/timeout 语义。

当前帧没有事务序号。建议一次只发送一个待应答命令，核对响应码和回显字段，并处理迟到帧；设置响应只回显数据1，无法单独证明增益对应本次请求，因此应进行配置回读。重试还需要命令幂等约定，不能默认所有未来命令都可重复执行。

9. 可运行的离线一致性检查

下面使用 Python 3.9 及以上的标准库，不需要串口设备。declared_data1() 明确只按文字位域推导，不应直接用于未确认协议的设备控制。

from dataclasses import dataclass


@dataclass(frozen=True)
class Frame:
    command: int
    data: bytes


def encode(command: int, data: bytes = bytes(4)) -> bytes:
    if not isinstance(command, int) or not 0 <= command <= 255:
        raise ValueError("command must be a byte")
    if not isinstance(data, bytes) or len(data) != 4:
        raise ValueError("data must contain exactly four bytes")
    payload = bytes([command]) + data
    return b"\xaa" + payload + bytes([sum(payload) & 0xFF]) + b"\x55"


def decode(raw: bytes) -> Frame:
    if len(raw) != 8 or raw[0] != 0xAA or raw[7] != 0x55:
        raise ValueError("invalid frame boundaries")
    if sum(raw[1:6]) & 0xFF != raw[6]:
        raise ValueError("invalid checksum")
    return Frame(raw[1], raw[2:6])


class Parser:
    """固定 8 字节帧；坏帧后向后滑动，保留下一帧的候选帧头。"""
    def __init__(self):
        self.pending = bytearray()

    def feed(self, chunk: bytes) -> list[Frame]:
        frames = []
        for byte in chunk:
            self.pending.append(byte)
            while self.pending and self.pending[0] != 0xAA:
                del self.pending[0]
            if len(self.pending) == 8:
                try:
                    frame = decode(bytes(self.pending))
                except ValueError:
                    del self.pending[0]
                    while self.pending and self.pending[0] != 0xAA:
                        del self.pending[0]
                else:
                    frames.append(frame)
                    self.pending.clear()
        return frames


def decode_battery(frame: Frame) -> tuple[int, bool]:
    if frame.command != 0x81 or len(frame.data) != 4:
        raise ValueError("not a battery response")
    level, charging, reserved1, reserved2 = frame.data
    if level > 100 or charging not in (0, 1) or reserved1 or reserved2:
        raise ValueError("invalid battery fields")
    return level, bool(charging)


def declared_data1(sensor: str, channel: str, mode: str) -> int:
    """仅推导文档声明的位域，不代表现有固件采用这种编码。"""
    sensors = {"DIF": 1, "IEPE": 2}
    channels = {"A": 0, "B": 1}
    modes = {"BAL": 1, "VIB": 2}
    if sensor not in sensors or channel not in channels or mode not in modes:
        raise ValueError("unknown configuration name")
    return (sensors[sensor] << 5) | (channels[channel] << 4) | modes[mode]


if __name__ == "__main__":
    request = encode(0x01)
    assert request.hex(" ") == "aa 01 00 00 00 00 01 55"
    battery = bytes.fromhex("aa 81 50 01 00 00 d2 55")
    assert decode_battery(decode(battery)) == (80, True)
    for split in range(len(battery) + 1):
        parser = Parser()
        result = parser.feed(battery[:split]) + parser.feed(battery[split:])
        assert result == [decode(battery)]
    malformed = bytearray(battery)
    malformed[6] ^= 1
    parser = Parser()
    result = parser.feed(b"garbage" + bytes(malformed) + battery + request)
    assert [frame.command for frame in result] == [0x81, 0x01]
    assert len(parser.pending) == 0
    assert declared_data1("IEPE", "A", "VIB") == 0x42
    assert declared_data1("DIF", "B", "BAL") == 0x31
    assert encode(0x83, bytes.fromhex("19 00 03 82")).hex(" ") == "aa 83 19 00 03 82 21 55"
    try:
        decode_battery(Frame(0x81, bytes([101, 0, 0, 0])))
    except ValueError:
        pass
    else:
        raise AssertionError("invalid battery percentage accepted")
    print("protocol framing checks passed; configuration encoding remains unconfirmed")

已运行的检查覆盖全部拆包位置、连续帧、前导垃圾、坏校验后恢复、电量字段范围以及两个配置冲突。它没有验证线缆、CH340 驱动、MCU 固件或模拟增益。

10. 版本修订应补齐的证据

原 v1→v2 的意图保留为：删除单端传感器、增加 A/B 通道、补齐前后级和频段配置、由两个预留字段改为四个有效数据字段，以及补 GPIO 映射。真正发布前还需完成：

给协议绑定固件提交、上位机版本和硬件版本。
确认数据1编码与所有保留值的处理。
确认双通道与全局 MODE、增益引脚之间的约束。
消除心跳反射，定义超时、重试和应答匹配。
逐个记录八种通道组合和全部增益档位的联调结果，再更新为设备协议规范。