自定義串口通信協議，如何實現？
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有一些初學者總覺得通信協議是一個很復雜的知識，把它想的很高深，導致不知道該怎么學。
同時，偶爾有讀者問關于串口自定義通信協議相關的問題，今天就來寫寫串口通信協議，并不是你想想中的那么難?
一.什么通信協議?
通信協議不難理解，就是兩個(或多個)設備之間進行通信，必須要遵循的一種協議。
百度百科的解釋：
通信協議是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。通過通信信道和設備互連起來的多個不同地理位置的數據通信系統，要使其能協同工作實現信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同的語言。交流什么、怎樣交流及何時交流，都必須遵循某種互相都能接受的規則。這個規則就是通信協議。
相應該有很多讀者都買過一些基于串口通信的模塊，市面上很多基于串口通信的模塊都是自定義通信協議，有的比較簡單，有的相對復雜一點。
舉一個很簡單的串口通信協議的例子：比如只傳輸一個溫度值，只有三個字節的通信協議：
| 幀頭 | 溫度值 | 幀尾 |
|---|---|---|
| 5A | 一字節數值 | 3B |
這種看起來是不是很簡單?它也是一種通信協議。
只是說這種通信協議應用的場合相對比較簡單(一對一兩個設備之間)，同時，它存在很多弊端。
二.過于簡單的通信協議引發的問題
上面那種只有三個字節的通信協議，相信大家都看明白了。雖然它也能通信，也能傳輸數據，但它存在一系列的問題。
比如：多個設備連接在一條總線(比如485)上，怎么判斷傳輸給誰?(沒有設備信息)
還比如：處于一個干擾環境，你能保障傳輸數據正確嗎?(沒有校驗信息)
再比如：我想傳輸多個不確定長度的數據，該怎么辦?(沒有長度信息)。
上面這一系列問題，相信做過自定義通信的朋友都了解。
所以，在通信協議里面要約定更多的“協議信息”，這樣才能保證通信的完整。
三.通信協議常見內容
基于串口的通信協議通常不能太復雜，因為串口通信速率、抗干擾能力以及其他各方面原因，相對于TCP/IP這種通信協議，是一種很輕量級的通信協議。
所以，基于串口的通信，除了一些通用的通信協議(比如：Modubs、MAVLink)之外，很多時候，工程師都會根據自己項目情況，自定義通信協議。
下面簡單描述下常見自定義通信協議的一些要點內容。
(這是一些常見的協議內容，可能不同情況，其協議內容不同)
1.幀頭
幀頭，就是一幀通信數據的開頭。
有的通信協議幀頭只有一個，有的有兩個，比如：5A、A5作為幀頭。
2.設備地址/類型
設備地址或者設備類型，通常是用于多種設備之間，為了方便區分不同設備。
這種情況，需要在協議或者附錄中要描述各種設備類型信息，方便開發者編碼查詢。
當然，有些固定的兩種設備之間通信，可能沒有這個選項。
3.命令/指令
命令/指令比較常見，一般是不同的操作，用不同的命令來區分。
舉例：溫度：0x01;濕度：0x02;
4.命令類型/功能碼
這個選項對命令進一步補充。比如：讀、寫操作。
舉例：讀Flash：0x01; 寫Flash：0x02;
5.數據長度
數據長度這個選項，可能有的協議會把該選項提到前面設備地址位置，把命令這些信息算在“長度”里面。
這個主要是方便協議(接收)解析的時候，統計接收數據長度。
比如：有時候傳輸一個有效數據，有時候要傳輸多個有效數據，甚至傳輸一個數組的數據。這個時候，傳輸的一幀數據就是不定長數據，就必須要有【數據長度】來約束。
有的長度是一個字節，其范圍：0x01 ~ 0xFF，有的可能要求一次性傳輸更多，就用兩個字節表示，其范圍0x0001 ~ 0xFFFFF。
當然，有的通信長度是固定的長度(比如固定只傳輸、溫度、濕度這兩個數據)，其協議可能沒有這個選項。
6.數據
數據就不用描述了，就是你傳輸的實實在在的數據，比如溫度：25℃。
7.幀尾
有些協議可能沒有幀尾，這個應該是可有可無的一個選項。
8.校驗碼
校驗碼是一個比較重要的內容，一般正規一點的通信協議都有這個選項，原因很簡單，通信很容易受到干擾，或者其他原因，導致傳輸數據出錯。
如果有校驗碼，就能比較有效避免數據傳輸出錯的的情況。
校驗碼的方式有很多，校驗和、CRC校驗算是比較常見的，用于自定義協議中的校驗方式。
還有一點，有的協議可能把校驗碼放在倒數第二，幀尾放在最后位置。
四.通信協議代碼實現
自定義通信協議，代碼實現的方式有很多種，怎么說呢，“條條大路通羅馬”你只需要按照你協議要寫實現代碼就行。
當然，實現的同時，需要考慮你項目實際情況，比如通信數據比較多，要用消息隊列(FIFO)，還比如，如果協議復雜，最好封裝結構體等。
下面分享一些以前用到的代碼，可能沒有描述更多細節，但一些思想可以借鑒。
1.消息數據發送
a.通過串口直接發送每一個字節
這種對于新手來說都能理解，這里分享一個之前DGUS串口屏的例子：
- #define DGUS_FRAME_HEAD1 0xA5 //DGUS屏幀頭1
- #define DGUS_FRAME_HEAD2 0x5A //DGUS屏幀頭2
- #define DGUS_CMD_W_REG 0x80 //DGUS寫寄存器指令
- #define DGUS_CMD_R_REG 0x81 //DGUS讀寄存器指令
- #define DGUS_CMD_W_DATA 0x82 //DGUS寫數據指令
- #define DGUS_CMD_R_DATA 0x83 //DGUS讀數據指令
- #define DGUS_CMD_W_CURVE 0x85 //DGUS寫曲線指令
- /* DGUS寄存器地址 */
- #define DGUS_REG_VERSION 0x00 //DGUS版本
- #define DGUS_REG_LED_NOW 0x01 //LED背光亮度
- #define DGUS_REG_BZ_TIME 0x02 //蜂鳴器時長
- #define DGUS_REG_PIC_ID 0x03 //顯示頁面ID
- #define DGUS_REG_TP_FLAG 0x05 //觸摸坐標更新標志
- #define DGUS_REG_TP_STATUS 0x06 //坐標狀態
- #define DGUS_REG_TP_POSITION 0x07 //坐標位置
- #define DGUS_REG_TPC_ENABLE 0x0B //觸控使能
- #define DGUS_REG_RTC_NOW 0x20 //當前RTCS
- //往DGDS屏指定寄存器寫一字節數據
- void DGUS_REG_WriteWord(uint8_t RegAddr, uint16_t Data)
- {
- DGUS_SendByte(DGUS_FRAME_HEAD1);
- DGUS_SendByte(DGUS_FRAME_HEAD2);
- DGUS_SendByte(0x04);
- DGUS_SendByte(DGUS_CMD_W_REG); //指令
- DGUS_SendByte(RegAddr); //地址
- DGUS_SendByte((uint8_t)(Data>>8)); //數據
- DGUS_SendByte((uint8_t)(Data&0xFF));
- }
- //往DGDS屏指定地址寫一字節數據
- void DGUS_DATA_WriteWord(uint16_t DataAddr, uint16_t Data)
- {
- DGUS_SendByte(DGUS_FRAME_HEAD1);
- DGUS_SendByte(DGUS_FRAME_HEAD2);
- DGUS_SendByte(0x05);
- DGUS_SendByte(DGUS_CMD_W_DATA); //指令
- DGUS_SendByte((uint8_t)(DataAddr>>8)); //地址
- DGUS_SendByte((uint8_t)(DataAddr&0xFF));
- DGUS_SendByte((uint8_t)(Data>>8)); //數據
- DGUS_SendByte((uint8_t)(Data&0xFF));
- }
b.通過消息隊列發送
在上面基礎上，用一個buf裝下消息，然后“打包”到消息隊列，通過消息隊列的方式(FIFO)發送出去。
- static uint8_t sDGUS_SendBuf[DGUS_PACKAGE_LEN];
- //往DGDS屏指定寄存器寫一字節數據
- void DGUS_REG_WriteWord(uint8_t RegAddr, uint16_t Data)
- {
- sDGUS_SendBuf[0] = DGUS_FRAME_HEAD1; //幀頭
- sDGUS_SendBuf[1] = DGUS_FRAME_HEAD2;
- sDGUS_SendBuf[2] = 0x06; //長度
- sDGUS_SendBuf[3] = DGUS_CMD_W_CTRL; //指令
- sDGUS_SendBuf[4] = RegAddr; //地址
- sDGUS_SendBuf[5] = (uint8_t)(Data>>8); //數據
- sDGUS_SendBuf[6] = (uint8_t)(Data&0xFF);
- DGUS_CRC16(&sDGUS_SendBuf[3], sDGUS_SendBuf[2] - 2, &sDGUS_CRC_H, &sDGUS_CRC_L);
- sDGUS_SendBuf[7] = sDGUS_CRC_H; //校驗
- sDGUS_SendBuf[8] = sDGUS_CRC_L;
- DGUSSend_Packet_ToQueue(sDGUS_SendBuf, sDGUS_SendBuf[2] + 3);
- }
- //往DGDS屏指定地址寫一字節數據
- void DGUS_DATA_WriteWord(uint16_t DataAddr, uint16_t Data)
- {
- sDGUS_SendBuf[0] = DGUS_FRAME_HEAD1; //幀頭
- sDGUS_SendBuf[1] = DGUS_FRAME_HEAD2;
- sDGUS_SendBuf[2] = 0x07; //長度
- sDGUS_SendBuf[3] = DGUS_CMD_W_DATA; //指令
- sDGUS_SendBuf[4] = (uint8_t)(DataAddr>>8); //地址
- sDGUS_SendBuf[5] = (uint8_t)(DataAddr&0xFF);
- sDGUS_SendBuf[6] = (uint8_t)(Data>>8); //數據
- sDGUS_SendBuf[7] = (uint8_t)(Data&0xFF);
- DGUS_CRC16(&sDGUS_SendBuf[3], sDGUS_SendBuf[2] - 2, &sDGUS_CRC_H, &sDGUS_CRC_L);
- sDGUS_SendBuf[8] = sDGUS_CRC_H; //校驗
- sDGUS_SendBuf[9] = sDGUS_CRC_L;
- DGUSSend_Packet_ToQueue(sDGUS_SendBuf, sDGUS_SendBuf[2] + 3);
- }
c.用“結構體”代替“數組SendBuf”方式
結構體對數組更方便引用，也方便管理，所以，結構體方式相比數組buf更高級，也更實用。(當然，如果成員比較多，如果用臨時變量方式也會導致占用過多堆棧的情況)
比如：
- typedef struct
- {
- uint8_t Head1; //幀頭1
- uint8_t Head2; //幀頭2
- uint8_t Len; //長度
- uint8_t Cmd; //命令
- uint8_t Data[DGUS_DATA_LEN]; //數據
- uint16_t CRC16; //CRC校驗
- }DGUS_PACKAGE_TypeDef;
d.其他更多
串口發送數據的方式有很多，比如用DMA的方式替代消息隊列的方式。
2.消息數據接收
串口消息接收，通常串口中斷接收的方式居多，當然，也有很少情況用輪詢的方式接收數據。
a.常規中斷接收
還是以DGUS串口屏為例，描述一種簡單又常見的中斷接收方式：
- void DGUS_ISRHandler(uint8_t Data)
- {
- static uint8_t sDgus_RxNum = 0; //數量
- static uint8_t sDgus_RxBuf[DGUS_PACKAGE_LEN];
- static portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
- sDgus_RxBuf[gDGUS_RxCnt] = Data;
- gDGUS_RxCnt++;
- /* 判斷幀頭 */
- if(sDgus_RxBuf[0] != DGUS_FRAME_HEAD1) //接收到幀頭1
- {
- gDGUS_RxCnt = 0;
- return;
- }
- if((2 == gDGUS_RxCnt) && (sDgus_RxBuf[1] != DGUS_FRAME_HEAD2))
- {
- gDGUS_RxCnt = 0;
- return;
- }
- /* 確定一幀數據長度 */
- if(gDGUS_RxCnt == 3)
- {
- sDgus_RxNum = sDgus_RxBuf[2] + 3;
- }
- /* 接收完一幀數據 */
- if((6 <= gDGUS_RxCnt) && (sDgus_RxNum <= gDGUS_RxCnt))
- {
- gDGUS_RxCnt = 0;
- if(xDGUSRcvQueue != NULL) //解析成功, 加入隊列
- {
- xQueueSendFromISR(xDGUSRcvQueue, &sDgus_RxBuf[0], &xHigherPriorityTaskWoken);
- portEND_SWITCHING_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
- }
- }
- }
b.增加超時檢測
接收數據有可能存在接收了一半，中斷因為某種原因中斷了，這時候，超時檢測也很有必要。
比如：用多余的MCU定時器做一個超時計數的處理，接收到一個數據，開始計時，超過1ms沒有接收到下一個數據，就丟掉這一包(前面接收的)數據。
- static void DGUS_TimingAndUpdate(uint16_t Nms)
- {
- sDGUSTiming_Nms_Num = Nms;
- TIM_SetCounter(DGUS_TIM, 0); //設置計數值為0
- TIM_Cmd(DGUS_TIM, ENABLE); //啟動定時器
- }
- void DGUS_COM_IRQHandler(void)
- {
- if((DGUS_COM->SR & USART_FLAG_RXNE) == USART_FLAG_RXNE)
- {
- DGUS_TimingAndUpdate(5); //更新定時(防止超時)
- DGUS_ISRHandler((uint8_t)USART_ReceiveData(DGUS_COM));
- }
- }
c.更多
接收和發送一樣，實現方法有很多種，比如接收同樣也可以用結構體方式。但有一點，都需要結合你實際需求來編碼。
五.最后
以上自定義協議內容僅供參考，最終用哪些、占用幾個字節都與你實際需求有關。
基于串口的自定義通信協議，有千差萬別，比如：MCU處理能力、設備多少、通信內容等都與你自定義協議有關。
有的可能只需要很簡單的通信協議就能滿足要求。有的可能需要更復雜的協議才能滿足。
最后強調兩點：
1.以上舉例并不是完整的代碼(有些細節沒有描述出來)，主要是供大家學習這種編程思想，或者實現方式。
2.一份好的通信協議代碼，必定有一定容錯處理，比如：發送完成檢測、接收超時檢測、數據出錯檢測等等。所以說，以上代碼并不是完整的代碼。
