balance-board/doc/BALANCE_BOARD_PROTOCOL.md

# 平衡板协议说明

本文说明当前固件里的数据包格式和 BLE 通讯方式。

## 1. BLE 通讯方式

平衡板工作在 BLE `Peripheral` 角色，通过 Nordic UART Service（NUS）与基站通信。

- 上行方向：平衡板 -> 基站，使用 NUS `Notify`
- 下行方向：基站 -> 平衡板，使用 NUS `Write`
- 广播内容：包含设备名和 NUS 128-bit UUID

### 1.1 NUS UUID

| 项目 | UUID | 方向 | 说明 |
|------|------|------|------|
| Service | `6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E` | - | NUS 主服务 |
| TX Characteristic | `6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E` | 平衡板 -> 基站 | Notify，上报 CoP 和编码器数据 |
| RX Characteristic | `6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E` | 基站 -> 平衡板 | Write，下发阻力参数和控制命令 |

### 1.2 当前连接行为

- 连接建立后，平衡板会请求 `7.5-15 ms` 连接区间（`min=6, max=12`）。
- 所有数据通过 NUS 二进制帧发送，不走文本协议。

## 2. 数据包总览

当前协议使用双帧头 `0xAA 0x55` 作为包起始标记。所有多字节字段按 Little Endian 编码。

每帧末尾附加 1 字节 CRC-8/MAXIM 校验（poly=`0x31`, init=`0x00`, refin=true, refout=true, xorout=`0x00`）。校验范围为帧头之后、CRC 字节之前的所有字段（即跳过 `sync0`/`sync1`）。调用方式：`crc8(data + 2, len - 3, 0x31, 0x00, true)`。

| 类型名 | 值 | 方向 | 长度 | 频率 | 说明 |
|--------|----|------|------|------|------|
| `PROTO_TYPE_COP` | `0x01` | 平衡板 -> 基站 | `11` | 50 Hz | 压力中心帧 |
| `PROTO_TYPE_ENCODER` | `0x02` | 平衡板 -> 基站 | `13` | TBD | 电机编码器帧（预留） |
| `PROTO_TYPE_RESISTANCE` | `0x10` | 基站 -> 平衡板 | `16` | 按需 | 阻力参数帧 |
| `PROTO_TYPE_SPOTTER` | `0x11` | 基站 -> 平衡板 | `9` | 按需 | 保护模式帧 |
| `PROTO_TYPE_HEARTBEAT` | `0x20` | 基站 -> 平衡板 | `5` | ~1 Hz | 心跳帧 |

## 3. 上行数据包

### 3.1 压力中心帧 (CoP)

CoP 帧固定 11 字节，结构如下：

| 字节偏移 | 字段 | 类型 | 值/范围 | 说明 |
|----------|------|------|---------|------|
| `0` | `sync0` | `uint8` | `0xAA` | 帧头第 1 字节 |
| `1` | `sync1` | `uint8` | `0x55` | 帧头第 2 字节 |
| `2` | `type` | `uint8` | `0x01` | CoP 包类型 |
| `3` | `flags` | `uint8` | 见下表 | 状态标志位 |
| `4-5` | `cop_x` | `int16 LE` | - | 压力中心 X 坐标 (cm) |
| `6-7` | `cop_y` | `int16 LE` | - | 压力中心 Y 坐标 (cm) |
| `8-9` | `force` | `int16 LE` | - | 总重量 (kg) |
| `10` | `crc` | `uint8` | - | CRC-8/MAXIM 校验 |

#### flags 位定义

| 位 | 名称 | 说明 |
|----|------|------|
| bit0 | `COP_FLAG_FORCE_VALID` | `1` 表示总力超过阈值，CoP 坐标有意义 |
| bit1-7 | 预留 | 填 `0` |

#### CoP 解算公式

传感器布局（俯视）：

```text
  S4 (FL) -------- S1 (FR)
  |       center        |
  S3 (BL) -------- S2 (BR)
```

传感器坐标（单位：cm，板面中心为原点）：

| 传感器 | 位置 | X | Y |
|--------|------|---|---|
| S1 | 右前 (FR) | `+10` | `+10` |
| S2 | 右后 (BR) | `+10` | `-10` |
| S3 | 左后 (BL) | `-10` | `-10` |
| S4 | 左前 (FL) | `-10` | `+10` |

计算公式：

```text
F_total = F0 + F1 + F2 + F3

CoP_X = (F0 * x0 + F1 * x1 + F2 * x2 + F3 * x3) / F_total
CoP_Y = (F0 * y0 + F1 * y1 + F2 * y2 + F3 * y3) / F_total
```

当 `F_total < COP_MIN_FORCE_THRESHOLD` 时，CoP 坐标无意义，`flags.bit0 = 0`，`cop_x` 和 `cop_y` 填 `0`。

#### 示例

下面是一个 CoP 帧示例（CoP 有效，cop_x=3 cm, cop_y=5 cm, force=75 kg）：

```text
AA 55 01 01  03 00  05 00  4B 00  XX
```

含义如下：

- `AA 55`：双帧头
- `01`：CoP 包
- `01`：flags = `force_valid`
- `03 00`：`cop_x = 3` cm（LE int16）
- `05 00`：`cop_y = 5` cm（LE int16）
- `4B 00`：`force = 75` kg（LE uint16）
- `XX`：CRC-8/MAXIM（对字节 `[2..9]` 计算）

### 3.2 电机编码器帧（预留）

编码器帧固定 13 字节，结构如下。该帧目前仅在协议中预留定义，固件暂不实现。

| 字节偏移 | 字段 | 类型 | 值/范围 | 说明 |
|----------|------|------|---------|------|
| `0` | `sync0` | `uint8` | `0xAA` | 帧头第 1 字节 |
| `1` | `sync1` | `uint8` | `0x55` | 帧头第 2 字节 |
| `2` | `type` | `uint8` | `0x02` | 编码器包类型 |
| `3` | `flags` | `uint8` | `0` | 预留 |
| `4-7` | `cable_length` | `float32 LE` | - | 拉索长度 (mm) |
| `8-11` | `velocity` | `float32 LE` | - | 拉索速度 (mm/s) |
| `12` | `crc` | `uint8` | - | CRC-8/MAXIM 校验 |

## 4. 下行数据包

### 4.1 阻力参数帧

阻力参数帧固定 16 字节，用于基站向平衡板下发电机阻力控制参数。

| 字节偏移 | 字段 | 类型 | 值/范围 | 说明 |
|----------|------|------|---------|------|
| `0` | `sync0` | `uint8` | `0xAA` | 帧头第 1 字节 |
| `1` | `sync1` | `uint8` | `0x55` | 帧头第 2 字节 |
| `2` | `type` | `uint8` | `0x10` | 阻力参数包类型 |
| `3-6` | `K` | `float32 LE` | - | 刚度 (N/m) |
| `7-10` | `B` | `float32 LE` | - | 阻尼 (Ns/m) |
| `11-14` | `Tau` | `float32 LE` | - | 时间常数 (s) |
| `15` | `crc` | `uint8` | - | CRC-8/MAXIM 校验 |

#### 示例

```text
AA 55 10  00 00 C8 42  00 00 48 41  CD CC 4C 3E  XX
```

含义如下：

- `AA 55 10`：阻力参数帧头
- `00 00 C8 42`：`K = 100.0` N/m
- `00 00 48 41`：`B = 12.5` Ns/m
- `CD CC 4C 3E`：`Tau = 0.2` s
- `XX`：CRC-8/MAXIM

### 4.2 Spotter Mode 帧

Spotter 帧固定 9 字节，用于启用或关闭保护模式。

| 字节偏移 | 字段 | 类型 | 值/范围 | 说明 |
|----------|------|------|---------|------|
| `0` | `sync0` | `uint8` | `0xAA` | 帧头第 1 字节 |
| `1` | `sync1` | `uint8` | `0x55` | 帧头第 2 字节 |
| `2` | `type` | `uint8` | `0x11` | Spotter 包类型 |
| `3-6` | `threshold` | `float32 LE` | - | 保护力阈值 (N) |
| `7` | `enable` | `uint8` | `0` 或 `1` | `0` = 关闭, `1` = 启用 |
| `8` | `crc` | `uint8` | - | CRC-8/MAXIM 校验 |

#### 示例

启用 Spotter Mode，阈值 500 N：

```text
AA 55 11  00 00 FA 43  01  XX
```

### 4.3 心跳帧

心跳帧固定 5 字节，基站以约 1 Hz 频率发送，用于活性检测。

| 字节偏移 | 字段 | 类型 | 值/范围 | 说明 |
|----------|------|------|---------|------|
| `0` | `sync0` | `uint8` | `0xAA` | 帧头第 1 字节 |
| `1` | `sync1` | `uint8` | `0x55` | 帧头第 2 字节 |
| `2` | `type` | `uint8` | `0x20` | 心跳包类型 |
| `3` | `counter` | `uint8` | `0-255` | 滚动计数 |
| `4` | `crc` | `uint8` | - | CRC-8/MAXIM 校验 |

#### 示例

```text
AA 55 20 05 XX
```

含义：心跳包，计数 `5`，`XX` 为 CRC。

## 5. 当前实现约束

- CoP 帧固定 11 字节，可在最小 ATT MTU 23（NUS 有效负载 20 字节）下传输。
- 50 Hz CoP 上行流隐式充当平衡板到基站的活性检测，因此心跳仅为下行。
- 传感器通道到物理位置的映射：MUX `{0x01, 0x23, 0x45, 0x67}` → FL/FR/BR/BL。
- `BOARD_HALF_WIDTH_CM = 10`，`BOARD_HALF_LENGTH_CM = 10`（后续可能调整）。
- `ADC_TO_FORCE_SCALE` 当前为占位值 `1.0f`，待 10 kg 砝码标定后修正。
- ARM Cortex-M33 为小端架构，`float32` 在 packed struct 中天然符合 Little Endian 要求。