C语言与python之间的串口通信协议的技巧

我们在做以stm32为主控芯片，然后openmv/k210为摄像头的时候，通常需要stm32开串口，然后摄像头通过串口数据发送给stm32，最后在32内部处理这些发送出来的数据，通常情况下这些外设都是采用python编程的，但是stm32端的接口是c语言，这个时候就涉及到一些通信协议。

由于进行串口通信的时候，只能传递 unsigned char(u8) 字节型的数据，所以就会有一些要将几个 u8 合并或者将 (unsigned int)u32 拆成4个 u8 的需求。

在此做一些总结归纳供大家参考，需要有一定嵌入式串口开发经验。

C语言端口

#define u32 unsigned int 
#define s32 int 
#define u16 unsigned short 
#define s16 short
#define u8  unsigned char 
#define s8  char

给出如下代码

#define BYTE0(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp)))
#define BYTE1(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 1))
#define BYTE2(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 2))
#define BYTE3(dwTemp) (*((char *)(&dwTemp) + 3))

意思就是把u32的数据 拆封成4个u8

例如

u32 temp_data_32;
u8 buffer[4];

buffer[0] = BYTE0[temp_data_32];
buffer[1] = BYTE1[temp_data_32];
buffer[2] = BYTE2[temp_data_32];
buffer[3] = BYTE3[temp_data_32];

buffer【0】 就是最低的八位

以此类推

buffer【3】就是最高的八位

以上操作既可做一个数据的拆分处理

u8 data[num];    // 假设你所需的数据大量存在data数组中

// 取 8bit
u8 data_u8[num];
data_u8[0] = *(data);
data_u8[1] = *(data + 1);
...

// 取 16bit
u16 data_u16[num];
data_u16[0] = *((u16 *)(data));
data_u16[1] = *((u16 *)(data + 2));
data_u16[2] = *((u16 *)(data + 4));
...

s16 data_s16[num];
data_s16[0] = (*((s16 *)(data))) / 1.0f;
data_s16[1] = (*((s16 *)(data + 2))) / 1.0f;
data_s16[2] = (*((s16 *)(data + 4))) / 1.0f;
...

// 取 32bit
s32 data_s32[num];
data_s32[0] = *((s32 *)(data));
data_s32[1] = *((s32 *)(data + 4));
data_s32[2] = *((s32 *)(data + 8));

意思就是把u8类型的这个数据，不断地给他改变形态，变成u16类的 变成u32类的。

使用联合体 union

使用联合体将float型数据拆分成字节数组

在C语言中，联合体（Union）是一种特殊的数据类型，允许你在同一段内存空间中存储不同的数据类型。联合体的语法如下

union union_name {
    data_type1 member_name1;
    data_type2 member_name2;
    ...
};
联合体的大小等于最大成员的大小。不同成员共享同一段内存空间，使用其中一个成员会覆盖掉其他成员的值。

#include 

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data;
    data.i = 10;
    printf("data.i = %d\n", data.i);
    data.f = 3.14;
    printf("data.f = %f\n", data.f);
    return 0;
}

这个程序定义了一个名为 Data 的联合体，其中包含一个整数成员 i、一个浮点数成员 f 和一个字符数组成员 str。在 main() 函数中，首先将 data.i 的值设置为 10，并输出它的值。接着将 data.f 的值设置为 3.14，并输出它的值。由于 i 和 f 共享同一段内存空间，data.i 的值被覆盖了。

需要注意的是，对于联合体的不同成员，只有最后一次写入的成员才是有效的。如果使用了一个成员，但是之前的成员没有被正确初始化，那么它的值是未定义的。在使用联合体时要小心，确保每个成员都被正确地初始化。

知道了联合体的定义后，我们可以给出如下代码

typedef union{
    float data;
    uint8_t data8[4];
}data_u;

data是一个32位的float的数据

data8【0】-data8【3】是8位的u8 但总字节有32b

这个联合体中有两个成员，一个是32位的float数据data，另一个同样是占据了32位字长的字节数组data8，根据联合体的性质，这两个成员所在的内存位置是一样的，也就是说，改变其中任何一个成员的值，另一个也会被改变．利用这个性质，我们就可以实现float与字节数据的互换。

也就是 我们接收到数据后 直接存放进data8这个数组内 ，而后调用data 就可以直接输出u32的东西了，系统内部会自动帮我们把数组的0123整合在一起。

Python端

字典功能帧

可以巧妙使用 Python 中的 dict 数据类型，以此来记入功能帧。

param_dic = {'speed': 0x01, 'voltage': 0x02, 'read': 0x03}

那么01 02 03 也就对应三个功能 speed vlotage read

struct包

struct包在python里面多用于打包操作

非常好用

打包内部的字节类型

格式	C 类型	Python 类型	标准大小	注释
x	填充字节	无
c	char	长度为 1 的字节串	1
b	signed char	整数	1	(1), (2)
B	unsigned char	整数	1	(2)
?	_Bool	bool	1	(1)
h	short	整数	2	(2)
H	unsigned short	整数	2	(2)
i	int	整数	4	(2)
I	unsigned int	整数	4	(2)
l	long	整数	4	(2)
L	unsigned long	整数	4	(2)
q	long long	整数	8	(2)
Q	unsigned long long	整数	8	(2)
n	ssize_t	整数		(3)
N	size_t	整数		(3)
e	(6)	float	2	(4)
f	float	float	4	(4)
d	double	float	8	(4)
s	char[]	字节串
p	char[]	字节串
P	void *	整数		(5)

字节顺序，大小，对齐方式

字符	字节顺序	大小	对齐方式
@	native 按照原字节	native 按原字节	native 按原字节
=	native 按照原字节	standard 标准	none
<	little-endian 小端	standard 标准	none
>	big-endian 大端	standard 标准	none
!	网络（大端）	standard 标准	none

可以把计算机的内存看做是一个很大的字节数组，一个字节包含 8 bit 信息可以表示 0-255 的无符号整型，以及 -128—127 的有符号整型。当存储一个大于 8 bit 的值到内存时，这个值常常会被切分成多个 8 bit 的 segment 存储在一个连续的内存空间，一个 segment 一个字节。有些处理器会把高位存储在内存这个字节数组的头部，把低位存储在尾部，这种处理方式叫 big-endian，有些处理器则相反，低位存储在头部，高位存储在尾部，称之为 little-endian。

注意

• _Bool在C99中定义,如果没有这个类型,则将这个类型视为char,一个字节;

• q和Q只适用于64位机器;

• 每个格式前可以有一个数字,表示这个类型的个数,如s格式表示一定长度的字符串,4s表示长度为4的字符串;4i表示四个int;

• P用来转换一个指针,其长度和计算机相关;

• f和d的长度和计算机相关;

>>> import struct
>>> struct.pack('>I', 10240099)
b'\x00\x9c@c'

pack的第一个参数是处理指令，'>I'的意思是：

>表示字节顺序是big-endian，也就是网络序，I表示4字节无符号整数。

后面的参数个数要和处理指令一致。

import struct

res = struct.pack("i",1234566)  # 传入的必须是 int 类型
print(res)          # b'\x86\xd6\x12\x00'  (查看内容)
print(type(res))    #       (查看类型)

res2 = struct.unpack("i",res)   # 使用什么 Format 打包就用什么解包
print(res2)         # (1234566,)           (是个元组)
print(type(res2))   #       (查看类型)
print(res2[0])      # 1234566         

列举一些注意点：

1. 注意本机字节顺序，可用 sys.byteorder 来检查你的系统字节顺序

2. 解包（unpack）后，低字节在前，高字节在后

3. 由于串口传递的是无符号字节型数据，若接收的变量是有符号类型如h格式，将自动进行如下操作。在C语言端的处理要注意

import struct

data = struct.pack('BBBBBBBB', 0xEA, 0xFF, 0x1E, 0x00, 0x64, 0x60, 0xEA, 0xFF)    # 打包
print(data)
data = struct.unpack('

b'\xea\xff\x1e\x00d`\xea\xff'
-22
30
65514

计算方法如下

data[0] = eaff = ffea = 65514-65536 = - 22

data[1] = 1e00 = 001e = 30

data[4] = eaff = ffea = 65514

因为有符号类型，最高位表示正负。