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          自定義串口通信協(xié)議,如何實(shí)現(xiàn)?

          共 7801字,需瀏覽 16分鐘

           ·

          2021-07-27 01:50

          作者 | strongerHuang

          微信公眾號(hào) | 嵌入式專欄



          有一些初學(xué)者總覺(jué)得通信協(xié)議是一個(gè)很復(fù)雜的知識(shí),把它想的很高深,導(dǎo)致不知道該怎么學(xué)。

          同時(shí),偶爾有讀者問(wèn)關(guān)于串口自定義通信協(xié)議相關(guān)的問(wèn)題,今天就來(lái)寫寫串口通信協(xié)議,并不是你想想中的那么難?

          1什么通信協(xié)議?

          通信協(xié)議不難理解,就是兩個(gè)(或多個(gè))設(shè)備之間進(jìn)行通信,必須要遵循的一種協(xié)議。

          百度百科的解釋:
          通信協(xié)議是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。通過(guò)通信信道和設(shè)備互連起來(lái)的多個(gè)不同地理位置的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),要使其能協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)信息交換和資源共享,它們之間必須具有共同的語(yǔ)言。交流什么、怎樣交流及何時(shí)交流,都必須遵循某種互相都能接受的規(guī)則。這個(gè)規(guī)則就是通信協(xié)議。


          相應(yīng)該有很多讀者都買過(guò)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(xié)議,有的比較簡(jiǎn)單,有的相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)。

          舉一個(gè)很簡(jiǎn)單的串口通信協(xié)議的例子:比如只傳輸一個(gè)溫度值,只有三個(gè)字節(jié)的通信協(xié)議:
          幀頭溫度值幀尾
          5A一字節(jié)數(shù)值3B

          這種看起來(lái)是不是很簡(jiǎn)單?它也是一種通信協(xié)議。

          只是說(shuō)這種通信協(xié)議應(yīng)用的場(chǎng)合相對(duì)比較簡(jiǎn)單(一對(duì)一兩個(gè)設(shè)備之間),同時(shí),它存在很多弊端。

          2過(guò)于簡(jiǎn)單的通信協(xié)議引發(fā)的問(wèn)題

          上面那種只有三個(gè)字節(jié)的通信協(xié)議,相信大家都看明白了。雖然它也能通信,也能傳輸數(shù)據(jù),但它存在一系列的問(wèn)題。

          比如:多個(gè)設(shè)備連接在一條總線(比如485)上,怎么判斷傳輸給誰(shuí)?(沒(méi)有設(shè)備信息)

          還比如:處于一個(gè)干擾環(huán)境,你能保障傳輸數(shù)據(jù)正確嗎?(沒(méi)有校驗(yàn)信息)

          再比如:我想傳輸多個(gè)不確定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù),該怎么辦?(沒(méi)有長(zhǎng)度信息)。

          上面這一系列問(wèn)題,相信做過(guò)自定義通信的朋友都了解。

          所以,在通信協(xié)議里面要約定更多的“協(xié)議信息”,這樣才能保證通信的完整。

          3通信協(xié)議常見(jiàn)內(nèi)容

          基于串口的通信協(xié)議通常不能太復(fù)雜,因?yàn)榇谕ㄐ潘俾省⒖垢蓴_能力以及其他各方面原因,相對(duì)于TCP/IP這種通信協(xié)議,是一種很輕量級(jí)的通信協(xié)議。

          所以,基于串口的通信,除了一些通用的通信協(xié)議(比如:Modubs、MAVLink)之外,很多時(shí)候,工程師都會(huì)根據(jù)自己項(xiàng)目情況,自定義通信協(xié)議。

          下面簡(jiǎn)單描述下常見(jiàn)自定義通信協(xié)議的一些要點(diǎn)內(nèi)容。

          (這是一些常見(jiàn)的協(xié)議內(nèi)容,可能不同情況,其協(xié)議內(nèi)容不同)

          1.幀頭
          幀頭,就是一幀通信數(shù)據(jù)的開(kāi)頭。
          有的通信協(xié)議幀頭只有一個(gè),有的有兩個(gè),比如:5A、A5作為幀頭。


          2.設(shè)備地址/類型
          設(shè)備地址或者設(shè)備類型,通常是用于多種設(shè)備之間,為了方便區(qū)分不同設(shè)備。


          這種情況,需要在協(xié)議或者附錄中要描述各種設(shè)備類型信息,方便開(kāi)發(fā)者編碼查詢。

          當(dāng)然,有些固定的兩種設(shè)備之間通信,可能沒(méi)有這個(gè)選項(xiàng)。

          3.命令/指令
          命令/指令比較常見(jiàn),一般是不同的操作,用不同的命令來(lái)區(qū)分。


          舉例:溫度:0x01;濕度:0x02;

          4.命令類型/功能碼
          這個(gè)選項(xiàng)對(duì)命令進(jìn)一步補(bǔ)充。比如:讀、寫操作。


          舉例:讀Flash:0x01; 寫Flash:0x02;

          5.數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
          數(shù)據(jù)長(zhǎng)度這個(gè)選項(xiàng),可能有的協(xié)議會(huì)把該選項(xiàng)提到前面設(shè)備地址位置,把命令這些信息算在“長(zhǎng)度”里面。

          這個(gè)主要是方便協(xié)議(接收)解析的時(shí)候,統(tǒng)計(jì)接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。


          比如:有時(shí)候傳輸一個(gè)有效數(shù)據(jù),有時(shí)候要傳輸多個(gè)有效數(shù)據(jù),甚至傳輸一個(gè)數(shù)組的數(shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候,傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)就是不定長(zhǎng)數(shù)據(jù),就必須要有數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)約束。

          有的長(zhǎng)度是一個(gè)字節(jié),其范圍:0x01 ~ 0xFF,有的可能要求一次性傳輸更多,就用兩個(gè)字節(jié)表示,其范圍0x0001 ~ 0xFFFFF。

          當(dāng)然,有的通信長(zhǎng)度是固定的長(zhǎng)度(比如固定只傳輸、溫度、濕度這兩個(gè)數(shù)據(jù)),其協(xié)議可能沒(méi)有這個(gè)選項(xiàng)。

          6.數(shù)據(jù)
          數(shù)據(jù)就不用描述了,就是你傳輸?shù)膶?shí)實(shí)在在的數(shù)據(jù),比如溫度:25℃。

          7.幀尾
          有些協(xié)議可能沒(méi)有幀尾,這個(gè)應(yīng)該是可有可無(wú)的一個(gè)選項(xiàng)。

          8.校驗(yàn)碼
          校驗(yàn)碼是一個(gè)比較重要的內(nèi)容,一般正規(guī)一點(diǎn)的通信協(xié)議都有這個(gè)選項(xiàng),原因很簡(jiǎn)單,通信很容易受到干擾,或者其他原因,導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

          如果有校驗(yàn)碼,就能比較有效避免數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)的的情況。


          校驗(yàn)碼的方式有很多,校驗(yàn)和、CRC校驗(yàn)算是比較常見(jiàn)的,用于自定義協(xié)議中的校驗(yàn)方式。

          還有一點(diǎn),有的協(xié)議可能把校驗(yàn)碼放在倒數(shù)第二,幀尾放在最后位置。

          4通信協(xié)議代碼實(shí)現(xiàn)

          自定義通信協(xié)議,代碼實(shí)現(xiàn)的方式有很多種,怎么說(shuō)呢,“條條大路通羅馬”你只需要按照你協(xié)議要寫實(shí)現(xiàn)代碼就行。

          當(dāng)然,實(shí)現(xiàn)的同時(shí),需要考慮你項(xiàng)目實(shí)際情況,比如通信數(shù)據(jù)比較多,要用消息隊(duì)列(FIFO),還比如,如果協(xié)議復(fù)雜,最好封裝結(jié)構(gòu)體等。

          下面分享一些以前用到的代碼,可能沒(méi)有描述更多細(xì)節(jié),但一些思想可以借鑒。

          1.消息數(shù)據(jù)發(fā)送
          a.通過(guò)串口直接發(fā)送每一個(gè)字節(jié)
          這種對(duì)于新手來(lái)說(shuō)都能理解,這里分享一個(gè)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(shù)據(jù)指令#define DGUS_CMD_R_DATA 0x83 //DGUS讀數(shù)據(jù)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(shí)長(zhǎng)#define DGUS_REG_PIC_ID 0x03 //顯示頁(yè)面ID#define DGUS_REG_TP_FLAG 0x05 //觸摸坐標(biāo)更新標(biāo)志#define DGUS_REG_TP_STATUS 0x06 //坐標(biāo)狀態(tài)#define DGUS_REG_TP_POSITION 0x07 //坐標(biāo)位置#define DGUS_REG_TPC_ENABLE 0x0B //觸控使能#define DGUS_REG_RTC_NOW 0x20 //當(dāng)前RTCS
          //往DGDS屏指定寄存器寫一字節(jié)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù) DGUS_SendByte((uint8_t)(Data&0xFF));}
          //往DGDS屏指定地址寫一字節(jié)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù) DGUS_SendByte((uint8_t)(Data&0xFF));}

          b.通過(guò)消息隊(duì)列發(fā)送
          在上面基礎(chǔ)上,用一個(gè)buf裝下消息,然后“打包”到消息隊(duì)列,通過(guò)消息隊(duì)列的方式(FIFO)發(fā)送出去。
          static uint8_t  sDGUS_SendBuf[DGUS_PACKAGE_LEN];
          //往DGDS屏指定寄存器寫一字節(jié)數(shù)據(jù)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(zhǎng)度 sDGUS_SendBuf[3] = DGUS_CMD_W_CTRL; //指令 sDGUS_SendBuf[4] = RegAddr; //地址 sDGUS_SendBuf[5] = (uint8_t)(Data>>8); //數(shù)據(jù) 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(yàn) 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(jié)數(shù)據(jù)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(zhǎng)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(shù)據(jù) 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(yàn) sDGUS_SendBuf[9] = sDGUS_CRC_L;
          DGUSSend_Packet_ToQueue(sDGUS_SendBuf, sDGUS_SendBuf[2] + 3);}

          c.用“結(jié)構(gòu)體代替數(shù)組SendBuf”方式
          結(jié)構(gòu)體對(duì)數(shù)組更方便引用,也方便管理,所以,結(jié)構(gòu)體方式相比數(shù)組buf更高級(jí),也更實(shí)用。(當(dāng)然,如果成員比較多,如果用臨時(shí)變量方式也會(huì)導(dǎo)致占用過(guò)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(zhǎng)度  uint8_t  Cmd;                   //命令  uint8_t  Data[DGUS_DATA_LEN];   //數(shù)據(jù)  uint16_t CRC16;                 //CRC校驗(yàn)}DGUS_PACKAGE_TypeDef;

          d.其他更多
          串口發(fā)送數(shù)據(jù)的方式有很多,比如用DMA的方式替代消息隊(duì)列的方式。

          2.消息數(shù)據(jù)接收
          串口消息接收,通常串口中斷接收的方式居多,當(dāng)然,也有很少情況用輪詢的方式接收數(shù)據(jù)。

          a.常規(guī)中斷接收
          還是以DGUS串口屏為例,描述一種簡(jiǎn)單又常見(jiàn)的中斷接收方式:
          void DGUS_ISRHandler(uint8_t Data){  static uint8_t sDgus_RxNum = 0;                //數(shù)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(shù)據(jù)長(zhǎng)度 */ if(gDGUS_RxCnt == 3) { sDgus_RxNum = sDgus_RxBuf[2] + 3; }
          /* 接收完一幀數(shù)據(jù) */ if((6 <= gDGUS_RxCnt) && (sDgus_RxNum <= gDGUS_RxCnt)) { gDGUS_RxCnt = 0;
          if(xDGUSRcvQueue != NULL) //解析成功, 加入隊(duì)列 { xQueueSendFromISR(xDGUSRcvQueue, &sDgus_RxBuf[0], &xHigherPriorityTaskWoken); portEND_SWITCHING_ISR(xHigherPriorityTaskWoken); } }}

          b.增加超時(shí)檢測(cè)

          接收數(shù)據(jù)有可能存在接收了一半,中斷因?yàn)槟撤N原因中斷了,這時(shí)候,超時(shí)檢測(cè)也很有必要。


          比如:用多余的MCU定時(shí)器做一個(gè)超時(shí)計(jì)數(shù)的處理,接收到一個(gè)數(shù)據(jù),開(kāi)始計(jì)時(shí),超過(guò)1ms沒(méi)有接收到下一個(gè)數(shù)據(jù),就丟掉這一包(前面接收的)數(shù)據(jù)。

          static void DGUS_TimingAndUpdate(uint16_t Nms){  sDGUSTiming_Nms_Num = Nms;  TIM_SetCounter(DGUS_TIM, 0);                   //設(shè)置計(jì)數(shù)值為0  TIM_Cmd(DGUS_TIM, ENABLE);                     //啟動(dòng)定時(shí)器}
          void DGUS_COM_IRQHandler(void){ if((DGUS_COM->SR & USART_FLAG_RXNE) == USART_FLAG_RXNE) { DGUS_TimingAndUpdate(5); //更新定時(shí)(防止超時(shí)) DGUS_ISRHandler((uint8_t)USART_ReceiveData(DGUS_COM)); }}


          c.更多

          接收和發(fā)送一樣,實(shí)現(xiàn)方法有很多種,比如接收同樣也可以用結(jié)構(gòu)體方式。但有一點(diǎn),都需要結(jié)合你實(shí)際需求來(lái)編碼。


          5最后

          以上自定義協(xié)議內(nèi)容僅供參考,最終用哪些、占用幾個(gè)字節(jié)都與你實(shí)際需求有關(guān)。

          基于串口的自定義通信協(xié)議,有千差萬(wàn)別,比如:MCU處理能力、設(shè)備多少、通信內(nèi)容等都與你自定義協(xié)議有關(guān)。

          有的可能只需要很簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就能滿足要求。有的可能需要更復(fù)雜的協(xié)議才能滿足。

          最后強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn):
          1.以上舉例并不是完整的代碼(有些細(xì)節(jié)沒(méi)有描述出來(lái)),主要是供大家學(xué)習(xí)這種編程思想,或者實(shí)現(xiàn)方式。

          2.一份好的通信協(xié)議代碼,必定有一定容錯(cuò)處理,比如:發(fā)送完成檢測(cè)、接收超時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)出錯(cuò)檢測(cè)等等。所以說(shuō),以上代碼并不是完整的代碼。
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