飞控与电调接口控制文档

字段	内容
文档编号	ICD-01-V0.1
版本	V0.1
状态	草稿
作者	产品团队
日期	2026-04-14
审核人	—
接口双方	飞控系统 (FC) ↔ 电调系统 (ESC × 8)

修订记录

版本	日期	修订人	修订内容
V0.1	2026-04-14	产品团队	初稿
V0.2	2026-04-16	产品团队	构型修订：CAN总线挂载设备8→4个ESC（V1四旋翼），预留8路扩展

1. 概述

1.1 目的

本文档定义飞控系统（FC）与电调系统（ESC）之间的接口规范，包括物理层连接、通信协议、消息帧格式、时序要求和安全约束。作为飞控固件和电调固件开发、联调测试的接口依据。

1.2 适用范围

适用于飞控系统与4个独立ESC之间的CAN总线通信（V2扩展为8个）
本文档定义的协议为自定义CAN协议（非标准MAVLink）

1.3 关联文档

文档编号	文档名称	关系
SUB-FC-V0.1	飞控系统PRD	接口一方
SUB-ESC-V0.1	电调系统PRD	接口另一方
PRD-MASTER-V0.1	总体产品需求文档	上位需求

1.4 术语定义

术语	定义
FC	飞控系统（Flight Controller）
ESC	电子调速器（Electronic Speed Controller）
CAN	控制器局域网络（Controller Area Network）
CAN 2.0B	CAN标准，支持29位扩展帧标识符
CAN FD	CAN灵活数据速率（Flexible Data-rate），支持更大数据帧
DLC	数据长度码（Data Length Code）
RPM	每分钟转数（Revolutions Per Minute）
心跳	周期性发送的存活确认消息

2. 物理层

2.1 接口类型

参数	规格
总线标准	CAN 2.0B（标准帧/扩展帧）
波特率	1 Mbps（标称）
电平标准	ISO 11898-2（高速CAN，差分信号）
终端电阻	总线两端各120Ω终端电阻

备注：若后续数据量需求增大（如增加电机振动数据回报），可考虑升级至CAN FD（最高8Mbps数据域），但V1.0版本以CAN 2.0B为基线。

2.2 线束规格

参数	规格
导线	双绞线（CAN_H + CAN_L），截面积≥0.22mm²（AWG24）
屏蔽	推荐带屏蔽层，屏蔽层单端接地（飞控端）
线缆最大长度	单ESC至飞控距离≤2m（机臂长度决定）
总线总长度	≤5m（含所有分支）

2.3 连接器

参数	规格
连接器类型	[TBD — 待硬件团队确认，建议GH1.25-4P或同等防水连接器]
引脚定义	Pin1: CAN_H, Pin2: CAN_L, Pin3: GND, Pin4: VCC(5V供电，可选)
防护要求	连接器应具备防水密封（匹配IP56），且耐振动
锁紧机构	应具备机械锁紧，防止振动脱落

2.4 接线拓扑

                         CAN总线主干
    ┌────────────────────────────────────────────────────┐
    │                                                    │
  [120Ω]                                              [120Ω]
    │                                                    │
  [FC]──┬──[ESC1]──[ESC2]──[ESC3]──[ESC4]──[ESC5]──[ESC6]──[ESC7]──[ESC8]
        │
     飞控端

拓扑方案：单总线型

参数	规格
拓扑结构	单条CAN总线，V1共4个ESC菊花链或T型短截线连接（V2扩展为8个）
终端电阻位置	飞控端（总线起始）和最远端ESC（总线末端）各120Ω
短截线长度	每个ESC的分支线（stub）长度≤30cm

替代方案（保留）：如果单总线负载过高（8节点+高频通信），可考虑分两路CAN总线：CAN1挂ESC1~4（机臂M1/M2侧），CAN2挂ESC5~8（机臂M3/M4侧）。V1.0先按单总线实现，测试后决定是否拆分。

3. 协议层

3.1 CAN消息ID分配规则

采用CAN 2.0B 标准帧（11位ID） 格式，消息ID编码规则如下：

  Bit[10:8]   Bit[7:4]      Bit[3:0]
  ┌────────┐ ┌───────────┐ ┌─────────┐
  │ 优先级  │ │ 消息类型   │ │ 节点ID   │
  │ (3bit) │ │ (4bit)    │ │ (4bit)  │
  └────────┘ └───────────┘ └─────────┘

优先级定义：

优先级值	含义	说明
0 (000)	紧急	紧急停机等安全关键指令
1 (001)	高	常规控制指令（油门/转速）
2 (010)	中	状态反馈数据
3 (011)	低	配置/诊断/升级

消息类型定义：

类型值	方向	含义
0x0	FC→ESC	油门/转速指令
0x1	FC→ESC	电机测试指令
0x2	FC→ESC	电机校准指令
0x3	FC→ESC	紧急停机指令
0x4	FC→ESC	配置参数写入
0x5	FC→ESC	固件升级数据
0x8	ESC→FC	转速/电流反馈
0x9	ESC→FC	温度/电压反馈
0xA	ESC→FC	故障码上报
0xB	ESC→FC	心跳/状态
0xC	ESC→FC	配置参数回读
0xD	ESC→FC	固件升级应答

节点ID定义：

节点ID	节点
0x0	飞控（FC），广播目标
0x1~0x8	ESC 1~8（对应电机M1~M8）
0xF	广播（所有ESC）

3.2 CAN消息ID分配表

消息ID (Hex)	方向	消息名称	周期/触发	DLC	说明
0x100+N	FC→ESC	转速指令（单个ESC）	周期：2.5ms（400Hz）	8	N=1~8，对应ESC编号
0x10F	FC→ESC	转速指令（广播，全部ESC）	周期：2.5ms（400Hz）	8	同时下发4个ESC转速（V1），V2扩展为8个
0x110+N	FC→ESC	电机测试指令	事件触发	8	地面测试用
0x120+N	FC→ESC	电机校准指令	事件触发	8	行程校准
0x030	FC→ESC	紧急停机（广播）	事件触发	2	最高优先级，所有ESC立即停机
0x140+N	FC→ESC	配置参数写入	事件触发	8	写入ESC参数
0x150+N	FC→ESC	固件升级数据	事件触发	8	Bootloader模式下使用
0x280+N	ESC→FC	转速/电流反馈	周期：20ms（50Hz）	8	N=1~8
0x290+N	ESC→FC	温度/电压反馈	周期：500ms（2Hz）	8	N=1~8
0x2A0+N	ESC→FC	故障码上报	事件触发	8	N=1~8，故障时立即发送
0x2B0+N	ESC→FC	心跳/状态	周期：1000ms（1Hz）	4	N=1~8
0x2C0+N	ESC→FC	配置参数回读	事件触发	8	N=1~8
0x2D0+N	ESC→FC	固件升级应答	事件触发	8	N=1~8

3.3 消息帧格式定义

3.3.1 转速指令帧（FC→单个ESC）

CAN ID: 0x100+N（N=1~8）
方向: FC → ESC
周期: 2.5ms（400Hz）
DLC: 8 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0-1	target_rpm	uint16	RPM	0~15000	目标转速，0=停止。大端序（MSB在前）
2	control_mode	uint8	—	0/1/2	0=转速模式，1=油门百分比模式，2=停机
3	throttle_pct	uint8	0.5%	0~200	油门百分比（仅control_mode=1时有效），实际值=字段值×0.5，范围0~100%
4	reserved_1	uint8	—	0	保留，填0
5	reserved_2	uint8	—	0	保留，填0
6	sequence	uint8	—	0~255	序列号，循环递增
7	checksum	uint8	—	—	Byte[0]~Byte[6]异或校验

3.3.2 转速指令帧（FC→广播全部ESC）

CAN ID: 0x10F
方向: FC → 所有ESC
周期: 2.5ms（400Hz）
DLC: 8 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0	throttle_1	uint8	0.5%	0~200	ESC1油门百分比，实际值=字段值×0.5
1	throttle_2	uint8	0.5%	0~200	ESC2油门百分比
2	throttle_3	uint8	0.5%	0~200	ESC3油门百分比
3	throttle_4	uint8	0.5%	0~200	ESC4油门百分比
4	throttle_5	uint8	0.5%	0~200	ESC5油门百分比
5	throttle_6	uint8	0.5%	0~200	ESC6油门百分比
6	throttle_7	uint8	0.5%	0~200	ESC7油门百分比
7	throttle_8	uint8	0.5%	0~200	ESC8油门百分比

注意：广播帧使用油门百分比模式（1 byte/ESC，V1为4个ESC使用4字节，V2扩展为8个ESC使用8字节数据帧）。高精度转速控制场景使用单播帧（0x100+N）。

3.3.3 紧急停机指令帧（FC→广播）

CAN ID: 0x030（最高优先级）
方向: FC → 所有ESC
触发: 事件触发（紧急停机按键、安全状态机EMERGENCY状态）
DLC: 2 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0	cmd_type	uint8	—	0xE0	固定值0xE0，表示紧急停机
1	confirm	uint8	—	0x5A	确认码0x5A，双字段校验防误触发

安全要求：ESC收到此帧后必须在**≤10ms**内停止所有输出。此帧应连续发送3次以确保所有ESC收到。

3.3.4 电机测试指令帧（FC→ESC）

CAN ID: 0x110+N（N=1~8）
方向: FC → ESC
触发: 事件触发（地面维护/调试模式下使用）
DLC: 8 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0	test_cmd	uint8	—	0~3	0=停止测试，1=低速旋转，2=指定转速旋转，3=转向测试
1-2	test_rpm	uint16	RPM	0~3000	测试转速（仅test_cmd=2时有效）
3	duration	uint8	秒	0~60	测试持续时间，0=持续直到手动停止
4-7	reserved	—	—	0	保留，填0

安全约束：电机测试指令仅在飞行器处于地面且未解锁状态时可执行。飞控应在发送前校验飞行状态。

3.3.5 电机校准指令帧（FC→ESC）

CAN ID: 0x120+N（N=1~8）
方向: FC → ESC
触发: 事件触发（校准流程中使用）
DLC: 8 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0	cal_cmd	uint8	—	0~2	0=取消校准，1=油门行程校准，2=电机参数识别
1	cal_step	uint8	—	0~255	校准步骤序号
2-7	cal_data	—	—	—	校准参数数据（步骤相关）

3.3.6 转速/电流反馈帧（ESC→FC）

CAN ID: 0x280+N（N=1~8）
方向: ESC → FC
周期: 20ms（50Hz）
DLC: 8 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0-1	actual_rpm	uint16	RPM	0~15000	实际转速，大端序
2-3	phase_current	uint16	0.01A	0~65535	相电流，实际值=字段值×0.01A，范围0~655.35A
4-5	bus_current	uint16	0.01A	0~65535	母线电流，实际值=字段值×0.01A
6	esc_status	uint8	—	位域	bit0:运行中, bit1:故障, bit2:过温预警, bit3:过流预警, bit4:堵转, bit5~7:保留
7	sequence	uint8	—	0~255	序列号，循环递增

3.3.7 温度/电压反馈帧（ESC→FC）

CAN ID: 0x290+N（N=1~8）
方向: ESC → FC
周期: 500ms（2Hz）
DLC: 8 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0-1	mos_temp	int16	0.1°C	-400~1500	MOS管温度，实际值=字段值×0.1，范围-40~150°C，大端序
2-3	bus_voltage	uint16	0.01V	0~65535	母线电压，实际值=字段值×0.01V
4-5	motor_temp	int16	0.1°C	-400~2000	电机温度（如有传感器），无传感器填0x7FFF表示无效
6	fw_version	uint8	—	0~255	固件版本号（主版本.次版本，高4位.低4位）
7	hw_version	uint8	—	0~255	硬件版本号

3.3.8 故障码上报帧（ESC→FC）

CAN ID: 0x2A0+N（N=1~8）
方向: ESC → FC
触发: 事件触发（故障发生时立即发送，连续发送3次确保送达）
DLC: 8 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0-1	fault_code	uint16	—	位域	故障码位域（见下表）
2-3	fault_value	uint16	—	—	故障触发时的关联数值（如过流时的电流值）
4-7	timestamp	uint32	ms	—	ESC内部时间戳

故障码位域定义：

Bit	故障类型	说明
0	过流（OC）	相电流超过保护阈值
1	过温（OT）	MOS温度超过保护阈值
2	堵转（STALL）	电机堵转检测
3	欠压（UV）	母线电压低于安全阈值
4	过压（OV）	母线电压超过安全阈值
5	通信异常（COM）	CAN总线通信异常
6	传感器异常（SENSOR）	温度/电流传感器异常
7	硬件异常（HW）	MOSFET/驱动电路异常
8~15	保留	预留扩展

3.3.9 心跳/状态帧（ESC→FC）

CAN ID: 0x2B0+N（N=1~8）
方向: ESC → FC
周期: 1000ms（1Hz）
DLC: 4 bytes

Byte	字段名称	数据类型	单位	范围	说明
0	esc_state	uint8	—	0~4	0=INIT, 1=IDLE(就绪), 2=RUNNING(运行), 3=ERROR(故障), 4=BOOTLOADER
1	uptime_min	uint8	分钟	0~255	ESC运行时间（分钟），溢出归零
2	boot_count	uint8	—	0~255	ESC启动次数（掉电重启计数）
3	reserved	uint8	—	0	保留

4. 心跳与超时机制

4.1 飞控→ESC 心跳

飞控通过周期性发送转速指令帧（0x100+N 或 0x10F，400Hz）作为隐式心跳。ESC不需要额外的心跳帧即可判断飞控在线状态。

4.2 ESC→飞控心跳

参数	规格
心跳帧	`0x2B0+N`，周期1000ms（1Hz）
超时判定	飞控连续3秒未收到某ESC心跳，判定该ESC离线/故障
故障响应	飞控将该ESC标记为故障，触发安全状态机预警→启动电机失效降级逻辑

4.3 ESC指令超时保护

参数	规格
超时阈值	ESC连续100ms未收到飞控转速指令，判定通信丢失
第一阶段响应（100~500ms）	ESC将目标转速按10%/100ms速率线性下降
第二阶段响应（>500ms）	ESC将电机转速降至0并保持停止
恢复条件	重新收到有效转速指令后，ESC恢复正常响应

4.4 总线错误处理

场景	ESC行为	飞控行为
CAN总线错误帧增多（Bus-off）	ESC自动尝试恢复（CAN控制器自动恢复机制），恢复后继续通信	飞控检测到ESC回报丢失，按心跳超时逻辑处理
单ESC CAN控制器Bus-off	该ESC通信中断，其余ESC不受影响	飞控标记该ESC故障
飞控CAN控制器Bus-off	—	所有ESC按指令超时逻辑逐步降速停机

5. 上电时序

5.1 正常上电流程

时间轴 →
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

[T0] 电池接入，供电开始
  │
  ├─ ESC ① 上电自检（≤200ms）
  │       ├─ 初始化CAN控制器
  │       ├─ 初始化驱动电路
  │       ├─ 电机输出保持关闭（安全要求）
  │       └─ 开始发送心跳帧（状态=INIT）
  │
  ├─ 飞控 上电自检（≤2s）
  │       ├─ 初始化传感器、CAN、存储
  │       └─ 扫描CAN总线，等待4个ESC心跳
  │
[T0+3s] 飞控确认4个ESC全部在线
  │       ├─ 飞控发送配置帧（如需）
  │       └─ ESC心跳状态切换为IDLE（就绪）
  │
[T0+5s] 系统就绪，等待用户解锁
  │
[Tarm]  用户执行解锁操作（摇杆打杆/按键解锁）
  │       ├─ 飞控开始发送转速指令帧（400Hz）
  │       └─ ESC收到首条有效指令后状态切换为RUNNING
  │
[Tfly]  电机起转，飞行器起飞
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

5.2 上电时序约束

约束项	要求
ESC上电到心跳首发	≤500ms
飞控上电到CAN就绪	≤2s
全系统就绪（4个ESC均在线）	≤5s（含飞控启动时间）
ESC上电后电机状态	必须保持停止，直到收到飞控有效转速指令
解锁前ESC收到转速指令	ESC应忽略解锁前的任何非零转速指令（安全冗余）

5.3 掉电与重启

场景	行为
飞行中电池瞬断后恢复	ESC应在≤200ms内重新初始化并恢复到IDLE状态，等待飞控指令
飞行中单ESC重启	该ESC重启后回到INIT→IDLE，飞控重新检测到后可恢复控制
飞控重启（飞行中不应发生）	所有ESC按指令超时逻辑降速停机

6. 安全约束

6.1 紧急停机

编号	安全约束	要求
ICD-01-S-001	紧急停机信号端到端延迟	从飞控发出紧急停机帧（`0x030`）到ESC关断电机输出，总延迟≤10ms
ICD-01-S-002	紧急停机帧发送策略	飞控应连续发送3次紧急停机帧（间隔1ms），确保所有ESC收到
ICD-01-S-003	紧急停机帧优先级	CAN ID `0x030` 为总线上最高优先级消息，仲裁时必赢
ICD-01-S-004	紧急停机帧校验	ESC收到紧急停机帧时须校验cmd_type=0xE0且confirm=0x5A，双字段匹配才执行，防止误触发

6.2 单ESC故障隔离

编号	安全约束	要求
ICD-01-S-005	单ESC故障不影响总线	单个ESC硬件故障（如CAN控制器Bus-off）不应导致整条CAN总线瘫痪，其余7个ESC通信应不受影响
ICD-01-S-006	ESC故障上报及时性	ESC检测到自身故障后应在≤5ms内发送故障码帧（`0x2A0+N`）
ICD-01-S-007	飞控故障响应延迟	飞控收到ESC故障码后应在≤50ms内启动降级飞行逻辑（对应FC-S-002/003）

6.3 数据完整性

编号	安全约束	要求
ICD-01-S-008	指令帧校验	转速指令帧（`0x100+N`）包含XOR校验字节，ESC应校验后再执行
ICD-01-S-009	序列号连续性检查	ESC应监测序列号连续性，连续丢失≥5帧时上报通信异常告警
ICD-01-S-010	非法指令过滤	ESC应拒绝超出范围的转速值（>15000RPM）或非法控制模式值

7. 总线负载分析

7.1 周期性消息负载计算

CAN 2.0B 标准帧结构：帧头(1)+仲裁域(11+1)+控制域(6)+数据域(0~64bit)+CRC(16)+ACK(2)+帧尾(7)+帧间隔(3) = 约 111~135 bit/帧（8字节数据域取130bit估算）。

消息类型	方向	数量	频率	每帧bit数（估算）	总带宽 (bit/s)
转速指令（广播）	FC→ESC	1	400 Hz	130	52,000
转速/电流反馈	ESC→FC	8	50 Hz	130	52,000
温度/电压反馈	ESC→FC	8	2 Hz	130	2,080
心跳/状态	ESC→FC	8	1 Hz	100	800
合计（周期性）	—	—	—	—	≈107,000

CAN总线带宽: 1 Mbps = 1,000,000 bit/s

周期性负载率: 107,000 / 1,000,000 = ≈10.7%

7.2 负载余量评估

指标	数值
周期性消息负载率	≈10.7%
事件触发消息预留	≈5%（故障上报、配置等突发消息）
总预估负载率	≈15.7%
推荐安全阈值	≤30%（CAN总线经验推荐值）
余量	充足，无需拆分双总线

结论：V1.0单CAN总线方案负载率约15.7%，远低于30%安全阈值，满足通信需求。若后续增加电机振动数据等高频回报，可考虑拆分双总线或升级CAN FD。

8. 待决事项 (TBD)

编号	事项描述	责任人	期望决定日期	影响范围
TBD-ICD01-001	CAN连接器具体型号待硬件团队确认	硬件工程师	2025-05	2.3 连接器
TBD-ICD01-002	ESC指令超时阈值（当前设定100ms）需通过飞行测试验证合理性	飞控/电调工程师	2025-06	4.3 指令超时保护
TBD-ICD01-003	是否需要支持CAN FD以预留扩展空间（V1.0以CAN 2.0B为基线）	系统架构师	2025-06	2.1 / 全文
TBD-ICD01-004	配置参数写入帧（`0x140+N`）和固件升级帧（`0x150+N`）的详细数据格式待定义	电调工程师	2025-06	3.3
TBD-ICD01-005	单总线 vs 双总线拓扑决策需在8节点联调测试后最终确定	飞控/电调工程师	2025-06	2.4 / 7.2
TBD-ICD01-006	堵转保护的检测时间阈值需确定后同步至协议文档	电调工程师	2025-05	3.3.8 故障码
TBD-ICD01-007	电机温度传感器是否配备（影响温度反馈帧motor_temp字段是否有效）	硬件工程师	2025-05	3.3.7

附录

附录A：CAN消息ID速查表

CAN ID (Hex)	方向	名称	频率	优先级
0x030	FC→ALL ESC	紧急停机	事件	最高
0x100+N	FC→ESC(N)	转速指令(单播)	400Hz	高
0x10F	FC→ALL ESC	转速指令(广播)	400Hz	高
0x110+N	FC→ESC(N)	电机测试	事件	低
0x120+N	FC→ESC(N)	电机校准	事件	低
0x140+N	FC→ESC(N)	配置写入	事件	低
0x150+N	FC→ESC(N)	固件升级	事件	低
0x280+N	ESC(N)→FC	转速/电流	50Hz	中
0x290+N	ESC(N)→FC	温度/电压	2Hz	中
0x2A0+N	ESC(N)→FC	故障码	事件	中
0x2B0+N	ESC(N)→FC	心跳/状态	1Hz	中
0x2C0+N	ESC(N)→FC	配置回读	事件	低
0x2D0+N	ESC(N)→FC	升级应答	事件	低

附录B：ESC节点ID与电机位置对应表

ESC节点ID	电机编号	机臂位置	旋转方向
1	M1	右前	[TBD-待确认]
2	M2	左前	[TBD-待确认]
3	M3	左后	[TBD-待确认]
4	M4	右后	[TBD-待确认]
5	M5	[TBD]	[TBD-待确认]
6	M6	[TBD]	[TBD-待确认]
7	M7	[TBD]	[TBD-待确认]
8	M8	[TBD]	[TBD-待确认]

注：V1四旋翼布局的电机编号M1~M4与机臂位置对应关系需参考结构设计确认。V2升级为8旋翼时扩展定义M5~M8。

飞控与电调接口控制文档 ​

修订记录 ​

1. 概述 ​

1.1 目的 ​

1.2 适用范围 ​

1.3 关联文档 ​

1.4 术语定义 ​

2. 物理层 ​

2.1 接口类型 ​

2.2 线束规格 ​

2.3 连接器 ​

2.4 接线拓扑 ​

3. 协议层 ​

3.1 CAN消息ID分配规则 ​

3.2 CAN消息ID分配表 ​

3.3 消息帧格式定义 ​

3.3.1 转速指令帧（FC→单个ESC） ​

3.3.2 转速指令帧（FC→广播全部ESC） ​

3.3.3 紧急停机指令帧（FC→广播） ​

3.3.4 电机测试指令帧（FC→ESC） ​

3.3.5 电机校准指令帧（FC→ESC） ​

3.3.6 转速/电流反馈帧（ESC→FC） ​

3.3.7 温度/电压反馈帧（ESC→FC） ​

3.3.8 故障码上报帧（ESC→FC） ​

3.3.9 心跳/状态帧（ESC→FC） ​

4. 心跳与超时机制 ​

4.1 飞控→ESC 心跳 ​

4.2 ESC→飞控 心跳 ​

4.3 ESC指令超时保护 ​

4.4 总线错误处理 ​

5. 上电时序 ​

5.1 正常上电流程 ​

5.2 上电时序约束 ​

5.3 掉电与重启 ​

6. 安全约束 ​

6.1 紧急停机 ​

6.2 单ESC故障隔离 ​

6.3 数据完整性 ​

7. 总线负载分析 ​

7.1 周期性消息负载计算 ​

7.2 负载余量评估 ​

8. 待决事项 (TBD) ​

附录 ​

附录A：CAN消息ID速查表 ​

附录B：ESC节点ID与电机位置对应表 ​