什么通信協(xié)議？UART自定義通信協(xié)議代碼實(shí)現(xiàn)方法

我們學(xué)習(xí)單片機(jī)，首先接觸的可能是點(diǎn)燈（GPIO），再次就是串口（UART）。

串口是常用的一種通信接口，也是學(xué)嵌入式必備掌握的一項(xiàng)知識，但我發(fā)現(xiàn)有很多小伙伴只知道用串口輸出或者打印一些數(shù)據(jù)，卻不知道如何用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。

這里就給大家分享一下串口通信協(xié)議、自定義通信協(xié)議，以及實(shí)現(xiàn)的原理。

什么通信協(xié)議？

通信協(xié)議不難理解，就是兩個（或多個）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。通過通信信道和設(shè)備互連起來的多個不同地理位置的數(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。這個規(guī)則就是通信協(xié)議。

相應(yīng)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(xié)議，有的比較簡單，有的相對復(fù)雜一點(diǎn)。

舉一個很簡單的串口通信協(xié)議的例子：比如只傳輸一個溫度值，只有三個字節(jié)的通信協(xié)議：

幀頭

溫度值

幀尾

這種看起來是不是很簡單？它也是一種通信協(xié)議。

只是說這種通信協(xié)議應(yīng)用的場合相對比較簡單（一對一兩個設(shè)備之間），同時(shí)，它存在很多弊端。

簡單通信協(xié)議的問題

上面那種只有三個字節(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題。

比如：多個設(shè)備連接在一條總線（比如485）上，怎么判斷傳輸給誰？（沒有設(shè)備信息）

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

再比如：我想傳輸多個不確定長度的數(shù)據(jù)，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(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。

通信協(xié)議常見內(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，相對于TCP/IP這種通信協(xié)議，是一種很輕量級的通信協(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，工程師都會根據(jù)自己項(xiàng)目情況，自定義通信協(xié)議。

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

（這是一些常見的協(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)的開頭。

有的通信協(xié)議幀頭只有一個，有的有兩個，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，可能沒有這個選項(xiàng)。

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(qū)分。

舉例：溫度：0x01；濕度：0x02；

4.命令類型/功能碼

這個選項(xiàng)對命令進(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)長度

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

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

比如：有時(shí)候傳輸一個有效數(shù)據(jù)，有時(shí)候要傳輸多個有效數(shù)據(jù)，甚至傳輸一個數(shù)組的數(shù)據(jù)。這個時(shí)候，傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)就是不定長數(shù)據(jù)，就必須要有【數(shù)據(jù)長度】來約束。

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

當(dāng)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(shù)據(jù)），其協(xié)議可能沒有這個選項(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)議可能沒有幀尾，這個應(yīng)該是可有可無的一個選項(xiàng)。

8.校驗(yàn)碼

校驗(yàn)碼是一個比較重要的內(nèi)容，一般正規(guī)一點(diǎn)的通信協(xié)議都有這個選項(xiàng)，原因很簡單，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。

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

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。

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.通過串口直接發(fā)送每一個字節(jié)

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(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
#define DGUS_REG_PIC_ID           0x03                     //顯示頁面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.通過消息隊(duì)列發(fā)送

在上面基礎(chǔ)上，用一個buf裝下消息，然后“打包”到消息隊(duì)列，通過消息隊(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，也更實(shí)用。（當(dāng)然，如果成員比較多，如果用臨時(shí)變量方式也會導(dǎo)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(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，描述一種簡單又常見的中斷接收方式：

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

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)檢測也很有必要。

比如：用多余的MCU定時(shí)器做一個超時(shí)計(jì)數(shù)的處理，接收到一個數(shù)據(jù)，開始計(jì)時(shí)，超過1ms沒有接收到下一個數(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)際需求來編碼。

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)沒有描述出來），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，必定有一定容錯處理，比如：發(fā)送完成檢測、接收超時(shí)檢測、數(shù)據(jù)出錯檢測等等。所以說，以上代碼并不是完整的代碼。

審核編輯：劉清