【嵌入式项目应用】__UART自定义通信协议代码实现方法
目录
前言
一、什么是通信协议
二、简单通信协议的问题
三、通信协议的常见内容
1. 帧头
2. 设备地址/类型
3. 命令/指令
4. 命令类型/功能码
5. 数据长度
6. 数据
7.帧尾
8.校验码
四、通信协议代码实现
1. 消息数据发送
a. 通过串口直接发送每一个字节
b. 通过消息队列发送
c. 用“结构体”代替“数组SendBuf”方式
d. 其他更多
2. 消息数据接收
a. 常规中断接收
b. 增加超时检测
c. 更多
三、结束语
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前言
我们学习单片机，首先接触的可能是点灯（GPIO），再次就是串口（UART）。
串口是常用的一种通信接口，也是学嵌入式必备掌握的一项知识，但我发现有很多小伙伴只知道用串口输出或者打印一些数据，却不知道如何用串口进行数据传输和通信。
这里就给大家分享一下串口通信协议、自定义通信协议，以及实现的原理。
一、什么是通信协议
通信协议不难理解，就是两个（或多个）设备之间进行通信，必须要遵循的一种协议。
百度百科的解释：
通信协议：是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。
交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这个规则就是通信协议。
应该有很多读者都买过一些基于串口通信的模块，市面上很多基于串口通信的模块都是自定义通信协议，有的比较简单，有的相对复杂一点。
举一个很简单的串口通信协议的例子：比如只传输一个温度值，只有三个字节的通信协议：
- 帧头
- 温度值
- 帧尾
5A 一字节数值 3B
这种看起来是不是很简单？它也是一种通信协议。
只是说这种通信协议应用的场合相对比较简单（一对一两个设备之间），同时，它存在很多弊端。
二、简单通信协议的问题
上面那种只有三个字节的通信协议，相信大家都看明白了。虽然它也能通信，也能传输数据，但它存在一系列的问题。
比如：多个设备连接在一条总线（比如485）上，怎么判断传输给谁？（没有设备信息）
还比如：处于一个干扰环境，你能保障传输数据正确吗？（没有校验信息）
再比如：我想传输多个不确定长度的数据，该怎么办？（没有长度信息）。
上面这一系列问题，相信做过自定义通信的朋友都了解。
所以，在通信协议里面要约定更多的“协议信息”，这样才能保证通信的完整。
三、通信协议的常见内容
基于串口的通信协议通常不能太复杂，因为串口通信速率、抗干扰能力以及其他各方面原因，相对于TCP/IP这种通信协议，是一种很轻量级的通信协议。
所以，基于串口的通信，除了一些通用的通信协议（比如：Modubs、MAVLink）之外，很多时候，工程师都会根据自己项目情况，自定义通信协议。
下面简单描述下常见自定义通信协议的一些要点内容。
（这是一些常见的协议内容，可能不同情况，其协议内容不同）
1. 帧头
帧头，就是一帧通信数据的开头。
有的通信协议帧头只有一个，有的有两个，比如：5A、A5作为帧头。
2. 设备地址/类型
设备地址或者设备类型，通常是用于多种设备之间，为了方便区分不同设备。
这种情况，需要在协议或者附录中要描述各种设备类型信息，方便开发者编码查询。
当然，有些固定的两种设备之间通信，可能没有这个选项。
3. 命令/指令
命令/指令比较常见，一般是不同的操作，用不同的命令来区分。
举例：温度：0x01；湿度：0x02；
4. 命令类型/功能码
这个选项对命令进一步补充。比如：读、写操作。
举例：读Flash：0x01； 写Flash：0x02；
5. 数据长度
数据长度这个选项，可能有的协议会把该选项提到前面设备地址位置，把命令这些信息算在“长度”里面。
这个主要是方便协议（接收）解析的时候，统计接收数据长度。
比如：有时候传输一个有效数据，有时候要传输多个有效数据，甚至传输一个数组的数据。这个时候，传输的一帧数据就是不定长数据，就必须要有【数据长度】来约束。
有的长度是一个字节，其范围：0x01 ~ 0xFF，有的可能要求一次性传输更多，就用两个字节表示，其范围0x0001 ~ 0xFFFFF。
当然，有的通信长度是固定的长度（比如固定只传输、温度、湿度这两个数据），其协议可能没有这个选项。
6. 数据
数据就不用描述了，就是你传输的实实在在的数据，比如温度：25℃。
7.帧尾
有些协议可能没有帧尾，这个应该是可有可无的一个选项。
8.校验码
校验码是一个比较重要的内容，一般正规一点的通信协议都有这个选项，原因很简单，通信很容易受到干扰，或者其他原因，导致传输数据出错。
如果有校验码，就能比较有效避免数据传输出错的的情况。
校验码的方式有很多，校验和、CRC校验算是比较常见的，用于自定义协议中的校验方式。
还有一点，有的协议可能把校验码放在倒数第二，帧尾放在最后位置。
四、通信协议代码实现
自定义通信协议，代码实现的方式有很多种，怎么说呢，“条条大路通罗马”你只需要按照你协议要写实现代码就行。
当然，实现的同时，需要考虑你项目实际情况，比如通信数据比较多，要用消息队列（FIFO），还比如，如果协议复杂，最好封装结构体等。
下面分享一些以前用到的代码，可能没有描述更多细节，但一些思想可以借鉴。
1. 消息数据发送
a. 通过串口直接发送每一个字节
这种对于新手来说都能理解，这里分享一个之前DGUS串口屏的例子：
#define DGUS_FRAME_HEAD1 0xA5 //DGUS屏帧头1
#define DGUS_FRAME_HEAD2 0x5A //DGUS屏帧头2
#define DGUS_CMD_W_REG 0x80 //DGUS写寄存器指令
#define DGUS_CMD_R_REG 0x81 //DGUS读寄存器指令
#define DGUS_CMD_W_DATA 0x82 //DGUS写数据指令
#define DGUS_CMD_R_DATA 0x83 //DGUS读数据指令
#define DGUS_CMD_W_CURVE 0x85 //DGUS写曲线指令
/* 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 //蜂鸣器时长
#define DGUS_REG_PIC_ID 0x03 //显示页面ID
#define DGUS_REG_TP_FLAG 0x05 //触摸坐标更新标志
#define DGUS_REG_TP_STATUS 0x06 //坐标状态
#define DGUS_REG_TP_POSITION 0x07 //坐标位置
#define DGUS_REG_TPC_ENABLE 0x0B //触控使能
#define DGUS_REG_RTC_NOW 0x20 //当前RTCS
//往DGDS屏指定寄存器写一字节数据
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)); //数据
DGUS_SendByte((uint8_t)(Data&0xFF));
}
//往DGDS屏指定地址写一字节数据
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)); //数据
DGUS_SendByte((uint8_t)(Data&0xFF));
}b. 通过消息队列发送
在上面基础上，用一个buf装下消息，然后“打包”到消息队列，通过消息队列的方式（FIFO）发送出去。
static uint8_t sDGUS_SendBuf[DGUS_PACKAGE_LEN];
//往DGDS屏指定寄存器写一字节数据
void DGUS_REG_WriteWord(uint8_t RegAddr, uint16_t Data)
{
sDGUS_SendBuf[0] = DGUS_FRAME_HEAD1; //帧头
sDGUS_SendBuf[1] = DGUS_FRAME_HEAD2;
sDGUS_SendBuf[2] = 0x06; //长度
sDGUS_SendBuf[3] = DGUS_CMD_W_CTRL; //指令
sDGUS_SendBuf[4] = RegAddr; //地址
sDGUS_SendBuf[5] = (uint8_t)(Data>>8); //数据
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; //校验
sDGUS_SendBuf[8] = sDGUS_CRC_L;
DGUSSend_Packet_ToQueue(sDGUS_SendBuf, sDGUS_SendBuf[2] + 3);
}
//往DGDS屏指定地址写一字节数据
void DGUS_DATA_WriteWord(uint16_t DataAddr, uint16_t Data)
{
sDGUS_SendBuf[0] = DGUS_FRAME_HEAD1; //帧头
sDGUS_SendBuf[1] = DGUS_FRAME_HEAD2;
sDGUS_SendBuf[2] = 0x07; //长度
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); //数据
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; //校验
sDGUS_SendBuf[9] = sDGUS_CRC_L;
DGUSSend_Packet_ToQueue(sDGUS_SendBuf, sDGUS_SendBuf[2] + 3);
}
c. 用“结构体”代替“数组SendBuf”方式
结构体对数组更方便引用，也方便管理，所以，结构体方式相比数组buf更高级，也更实用。
（当然，如果成员比较多，如果用临时变量方式也会导致占用过多堆栈的情况）
比如：
typedef struct
{
uint8_t Head1; //帧头1
uint8_t Head2; //帧头2
uint8_t Len; //长度
uint8_t Cmd; //命令
uint8_t Data[DGUS_DATA_LEN]; //数据
uint16_t CRC16; //CRC校验
}DGUS_PACKAGE_TypeDef;d. 其他更多
串口发送数据的方式有很多，比如用DMA的方式替代消息队列的方式。
2. 消息数据接收
串口消息接收，通常串口中断接收的方式居多，当然，也有很少情况用轮询的方式接收数据。
a. 常规中断接收
还是以DGUS串口屏为例，描述一种简单又常见的中断接收方式：
void DGUS_ISRHandler(uint8_t Data)
{
static uint8_t sDgus_RxNum = 0; //数量
static uint8_t sDgus_RxBuf[DGUS_PACKAGE_LEN];
static portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
sDgus_RxBuf[gDGUS_RxCnt] = Data;
gDGUS_RxCnt++;
/* 判断帧头 */
if(sDgus_RxBuf[0] != DGUS_FRAME_HEAD1) //接收到帧头1
{
gDGUS_RxCnt = 0;
return;
}
if((2 == gDGUS_RxCnt) && (sDgus_RxBuf[1] != DGUS_FRAME_HEAD2))
{
gDGUS_RxCnt = 0;
return;
}
/* 确定一帧数据长度 */
if(gDGUS_RxCnt == 3)
{
sDgus_RxNum = sDgus_RxBuf[2] + 3;
}
/* 接收完一帧数据 */
if((6 <= gDGUS_RxCnt) && (sDgus_RxNum <= gDGUS_RxCnt))
{
gDGUS_RxCnt = 0;
if(xDGUSRcvQueue != NULL) //解析成功, 加入队列
{
xQueueSendFromISR(xDGUSRcvQueue, &sDgus_RxBuf[0], &xHigherPriorityTaskWoken);
portEND_SWITCHING_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}
}
}b. 增加超时检测
接收数据有可能存在接收了一半，中断因为某种原因中断了，这时候，超时检测也很有必要。
比如：用多余的MCU定时器做一个超时计数的处理，接收到一个数据，开始计时，超过1ms没有接收到下一个数据，就丢掉这一包（前面接收的）数据。
static void DGUS_TimingAndUpdate(uint16_t Nms)
{
sDGUSTiming_Nms_Num = Nms;
TIM_SetCounter(DGUS_TIM, 0); //设置计数值为0
TIM_Cmd(DGUS_TIM, ENABLE); //启动定时器
}
void DGUS_COM_IRQHandler(void)
{
if((DGUS_COM->SR & USART_FLAG_RXNE) == USART_FLAG_RXNE)
{
DGUS_TimingAndUpdate(5); //更新定时(防止超时)
DGUS_ISRHandler((uint8_t)USART_ReceiveData(DGUS_COM));
}
}c. 更多
接收和发送一样，实现方法有很多种，比如接收同样也可以用结构体方式。但有一点，都需要结合你实际需求来编码。
三、结束语
以上自定义协议内容仅供参考，最终用哪些、占用几个字节都与你实际需求有关。
基于串口的自定义通信协议，有千差万别，比如：MCU处理能力、设备多少、通信内容等都与你自定义协议有关。
有的可能只需要很简单的通信协议就能满足要求。有的可能需要更复杂的协议才能满足。
注意的是：
- 以上举例并不是完整的代码（有些细节没有描述出来），主要是供大家学习这种编程思想，或者实现方式。
- 一份好的通信协议代码，必定有一定容错处理，比如：发送完成检测、接收超时检测、数据出错检测等等。所以说，以上代码并不是完整的代码。
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