串口数据包收发的思路和流程-stm32入门

本节主要内容：

1. 如何去规定一个合理的数据包格式
2. 如何收发数据包

1. 数据包格式规定/定义

1.1 HEX 数据包定义

• 固定包长，含包头包尾
  
• 可变包长，含包头包尾
  

首先数据包的作用是把一个个单独的数据给打包起来，方便我们进行多字节的数据通信。我们之前学习了串口的代码，发送一个字节，接收一个字节都没问题，但在实际应用中，我们可能需要把多个字节打包为一个整体进行发送，比如说，我们有个陀螺仪传感器，需要用串口发送数据到 STM32，陀螺仪的数据，比如 X 轴一个字节，Y 轴一个字节，Z 轴一个字节，总共 3 个数据，需要连续不断地发送，当你像这样，XYZXYZXYZ 连续发送的时候，就会出现一个问题，就是接收方，它不知道这数据哪个对应 X，哪个对应 Y，哪个对应 Z，因为接收方可能会从任意位置开始接收，所以会出现数据错位的现象，这时候，我们就需要研究一种方式，把这个数据进行分割，把 XYZ 这一批数据分隔开，分成一个个数据包，这样再接收的时候，就知道了数据包的第一个数据就是 X、第二个数据就是 Y，第三个数据就是 Z，这就是数据包的任务，就是把属于同一批的数据进行打包和分割，方便接收方进行识别，那有关分割打包的方法，可以自己发挥想象力来设计，只要逻辑行得通就行。

比如我可以设计，在这个 XYZXYZ 数据流中，数据包的第一个数据，也就是 X 的数据包，它的最高位置 1，其余数据包，最高位都置 0，当我接收到了数据之后，判断一下最高位，如果是 1，那就是 X 数据，然后紧跟着的两个数据就分别是 Y 和 Z，这就是一种可行的分割方法。这种方法就是把每个数据的最高位当作标志位来进行分割的，实际也有应用的例子，比如 UTF8 的编码方式，和这就是类似的，不过它那个编码更高级一些，感兴趣的话可以了解一下。

那本节我们主要讲的数据包分割方法，并不是在数据的高位添加标志位这种方式，因为这种方式破坏了原有数据，使用起来比较复杂，我们串口数据包，通常使用的是额外添加包头包尾的这种方式，比如我这里就列举了两种数据包格式，第一种是固定包长，含包头包尾，也就是每个数据包的长度都固定不变，数据包前面是包头，后面是包尾；第二种是可变包长，含包头包尾，也就是每个数据包的长度可以是不一样的，数据包前面是包头，后面是包尾。它们的数据包格式，可以是用户根据需求，自己规定的，也可以是你买一个模块，别的开发者规定的。

那本节规定是，比如固定包长这里，一批数据规定有 4 个字节，在这 4 个字节之前，加一个包头，比如我定义 0xFF 为包头，在 4 个字节之后，加一个包尾，比如我定义 0xFE 为包尾。那当我接收到 0xFF 之后，我就知道一个数据包来了，接着我再接收到的 4 个字节，就当作数据包的第 1、2、3、4 个数据，存在一个数组里，最后跟一个包尾，当我收到 0xFE 之后，就可以置一个标志位，告诉程序，我收到了一个数据包，然后新的数据包过来，再重复之前的过程，这样就可以在一个连续不断的数据流中，分割出我们想要的数据包了，这就是添加包头包尾实现数据分割打包的思路。

接着我们来研究几个问题：

1. 包头包尾和数据载荷重复问题

这里定义 FF 为包头，FE 为包尾，如果我传输的数据本身就是 FF 和 FE 怎么办呢？那这个问题确实存在，如果数据和包头包尾重复，可能会引起误判。

对应这个问题我们有如下几种解决方法：

1. 限制载荷数据的范围，如果可以的话，我们可以在发送的时候，对数据进行限幅，比如 XYZ，3 个数据，变化范围都可以是 0~100，那就好办了，我们可以在载荷中只发送 0~100 的数据，这样就不会和包头包尾重复了。
2. 如果无法避免载荷数据和包头包尾重复，那我们就尽量使用固定长度的数据包，这样由于载荷数据是固定的，只要我们通过包头包尾对齐了数据，我们就可以严格知道，哪个数据应该是包头包尾，哪个数据应该是载荷数据，在接收载荷数据的时候，我们并不会判断它是否是包头包尾，而在接收包头包尾的时候，我们会判断它是不是确实是包头包尾，用于数据对齐。这样，在经过几个数据包的对齐之后，剩下的数据包应该就不会出现问题了。
3. 增加包头包尾的数量，并且让它尽量呈现出载荷数据出现不了的状态，比如我们使用 FF、FE 做为包头，FD、FC 作为包尾，这样也可以避免载荷数据和包头包尾重复的情况发生。

2. 包头包尾并不是全部都需要的。

比如我们可以只要一个包头，把包尾删掉，这样数据包的格式就是，一个包头 FF，加 4 个数据，这样也是可以的，当检测到 FF，开始接收，收够 4 个字节后，置标志位，一个数据包接收完成，这样也可以，不过这样的话，载荷和包头重复的问题会更严重一些，比如最严重的情况下，我载荷全是 FF，包头也是 FF，那你肯定不知道哪个是包头了，而加上 FE 作为包尾，无论数据怎么变化都是可以分辨出包头包尾的。

3. 固定包长和可变包长的选择问题

对于 HEX 数据包来说，如果你的载荷会出现和包头包尾重复的情况，那就最好选择固定包长，这样可以避免接收错误，如果你又会重复，又选择可变包长，那数据很容易就乱套了；如果载荷不会和包头包尾重复，那可以选择可变包长，数据长度，像这样，4 位、3 位、等等，1 位、10 位，来回任意变肯定都没问题。因为包头包尾是唯一的，只要出现包头，就开始数据包，只要出现包尾，就结束数据包，这样就非常灵活了。

4. 各种数据转换为字节流的问题

这里数据包都是一个字节一个字节组成的，如果你想发送 16 位的整型数据、32 位的整型数据、float、double、甚至是结构体，其实都没问题，因为它们内部其实都是由一个字节一个字节组成的，只需要用一个 uint8_t 的指针指向它，把它们当作一个字节数组发送就行了。

1.2 文本数据包定义

• 固定包长，含包头包尾
  
• 可变包长，含包头包尾
  

文本数据包和 HEX 数据包，就分别对应了文本模式和 HEX 这两种模式。在 HEX 数据包里面，数据都是以原始的字节数据本身呈现的，而在文本数据包里面，每个字节就经过了一层编码和译码，最终表现出来的，就是文本格式，但实际上，每个文本字符背后，其实都还是一个字节的 HEX 数据。

那我们看一下，同样给出了固定包长和可变包长这两种模式，由于数据译码成了字符形式，这就会存在大量的字符可以作为包头包尾，可以有效避免载荷和包头包尾重复的问题。比如本节规定以 @ 这个字符作为包头，以 \r\n 也就是换行，这两个字符作为包尾，在载荷数据中间可以出现除了包头包尾的任意字符，这很容易做到，所以文本数据包基本不用担心载荷和包头包尾重复的问题，使用非常灵活。可变包长、各种字母、符号、数字，都可以随意使用，当我们接收到载荷数据之后，得到的就是一个字符串，在软件中再对字符串进行操作和判断，就可以实现各种指令控制的功能了。而且字符串数据包表达的意义很明显，可以把字符串数据包直接打印到串口助手上，什么指令，什么数据，一眼就能看明白，所以这个文本数据包，通常会以换行作为包尾，这样在打印的时候，就可以一行一行地显示了，非常方便。

那 HEX 数据包与文本数据包这两种对比下来，其实也是各有优缺点的。
HEX 数据包：

• 优点：传输最直接，解析数据非常简单，比较适合一些模块发送原始的数据。比如一些使用串口通信的陀螺仪、温湿度传感器。
• 缺点：灵活性不足、载荷容易和包头包尾重复。

文本数据包：

• 优点：数据直观易理解，非常灵活，比较适合一些输入指令进行人机交互的场合，比如蓝牙模块常用的 AT 指令，CNC 和 3D 打印机常用的 G 代码，都是文本数据包的格式。
• 缺点：解析效率低。比如发送一个数 100，HEX 数据包就是一个字节 100，完事，文本数据包就得是 3 个字节的字符，‘1’，‘0’，‘0’，收到之后还要把字符转换成数据，才能得到 100。所以说，我们需要根据实际场景来选择和设计数据包格式。

2. 数据包的收发流程

2.1 数据包的发送

数据包的发送非常简单。

在 HEX 数据包这里，我如果想发送一个数据包，就定义一个数组，填充数据，然后用上节我们写过的 SendArray 一发就完事了。

在 文本 数据包这里，我如果想发送数据包，就写一个字符串，然后调用 SendString 一发送也完事了。

数据包的发送非常简单。因为发送过程是完全自主可控的，想发啥就发啥。我们写到的时候也能感受到，串口发送，比接收简单多了。

2.2 数据包的接收

接受一个数据包就比较复杂了。我们来学习一下。

这里演示了固定包长 HEX 数据包的接收方法。首先，根据前一节的代码，我们知道，每收到一个字节，程序都会进一遍中断，在中断函数里，我们可以拿到这一个字节，但拿到之后，我们就得退出中断了，所以，每拿到一个数据，都是一个独立的过程，而对于数据包来说，很明显它具有前后关联性，包头之后是数据，数据之后是包尾，对于包头、数据和包尾这三种状态，我们都需要有不同的处理逻辑，所以在程序中，我们需要设计一个能记住不同状态的机制，在不同状态执行不同的操作，同时还要进行状态的合理转移，这种程序设计思维，就叫做“状态机”。

在这里我们就使用状态机的方法来接收一个数据包，要想设计一个好的状态机程序，画一个下面这样的状态转移图是必要的。对于上面这样一个固定包长 HEX 数据包来说，我们可以定义 3 个状态，第一个状态是等待包头，第二个状态是接收数据，第三个状态是等待包尾。每个状态需要用一个变量来标志一下，比如我这里用变量 S 来标志，三个状态依次为 S = 0，S = 1，S = 2，这一点类似于置标志位，只不过标志位只有 0 和 1，而状态机是多标志位状态的一种方式，然后执行流程是：

1. 最开始，S = 0，收到一个数据，进中断，根据 S = 0，进入第一个状态的程序，判断数据是不是包头 FF，如果是 FF，则代表收到包头，之后置 S = 1，退出中断，结束，这样下次再进中断，根据 S = 1，就可以接收数据的程序了，那在第一个状态，如果收到的不是 FF，就证明数据包没有对齐，我们应该等待数据包包头的出现，这时状态就仍然是 0，下次进中断，就还是判断包头的逻辑，直到出现 FF，才能转到下一个状态。
2. 那之后，出现了 FF，我们就可以转移到接收数据的状态了。这时再收到数据，我们就直接把它存在数组里，另外再用一个变量，记录收了多少个数据，如果没收够四个数据，就一直是接收状态，如果收够了，就置 S = 2，下次中断时，就可以进入下一个状态了。
3. 那最后一个状态就是等待包尾了，判断数据是不是 FE，正常情况，应该是 FE，这样就可以置 S = 0，回到最初的状态，开始下一个轮回，当然也有可能这个数据不是 FE，比如数据和包头重复了，导致包头位置判断错了，那这个包尾位置就有可能不是 FE，这时就可以进入重复等待包尾的状态，直到接收到真正的包尾。这样加入包尾的判断，更能预防因数据和包头重复造成的错误。

这就是使用状态机接收数据包的思路。这个状态机其实是一种很广泛的编程思路，在很多地方都可以用到。使用的基本步骤是：

1. 先根据项目要求定义状态，画几个圈
2. 然后考虑好各个状态在什么情况下会进行转移，如何转移，画好线和转移条件。
3. 最后根据这个图来进行编程。

这样思维就会非常清晰了。比如你要做个菜单，就可以用到状态机的思维，按什么键，切换什么菜单，执行什么样的程序，还有一些芯片内部逻辑，也会用到状态机。比如芯片什么情况下进入待机状态，什么情况下进入工作状态，这也是状态机的应用，希望大家可以研究一下，对你的编程肯定会有帮助。

这里演示了可变包长 文本 数据包的接收方法。我们看一下可变包长 文本 数据包的接收流程，同样也是利用状态机，定义了三个状态。

1. 第一个状态，等待包头，判断收到的是不是我们规定的 @ 符号，如果收到 @，就进入接收状态。
2. 在接收状态下，依次接收数据，同时，这个状态还应该要兼具等待包尾的功能，因为这是可变包长，我们接收数据的时候，也要时刻监视，是不是收到包尾了，一旦收到包尾了，就结束，那这里，这个状态的逻辑就应该是，收到一个数据，判断是不是 \r，如果不是，就正常接收，如果是，则不接收，同时跳到下一个状态，等待包尾 \n，因为这里数据包有两个包尾 \r，\n，所以需要第三个状态。
3. 如果只有一个包尾，那在出现包尾之后，就可以直接回到初始状态了，只需要两个状态就行。因为接收数据和等待包尾需要在一个状态里同时进行。由于串口的包头包尾不会出现在数据中，所以基本不会出现数据错位的现象。

这就是使用状态机接收文本数据包的方法。

其他的数据包也都可以套用这两个形式，等会我们写程序就会根据这里面的流程来。

到这里，关于数据包的定义、分类、优缺点和注意事项就介绍完了。

包头 FF 和 包尾 FE 用于控制接收，没有显示。