如何实现自定义串口通信协议

1 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。


2 过于简单的通信协议引发的问题

下面这种过于简单的通信协议虽然也能通信，也能传输数据，但存在一系列的问题。

  • 问题1：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）
  • 问题2：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）
  • 问题3：我想传输多个不确定长度的数据，该怎么办？（没有长度信息）
帧头 温度值 帧尾
5A 一字节数值 3B

3 通信协议常见内容

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。


3.1 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。


3.2 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。


3.3 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；


3.4 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；


3.5 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 ~ 0xFFFF。

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。


3.6 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℃。


3.7 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。


3.8 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。


4 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。


4.1 消息数据发送

4.1.1 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：

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#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));
}

4.1.2 通过消息队列发送

在上面基础上，用一个buffer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。

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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);
}

4.1.3 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：

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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;

4.1.4 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。


4.2 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。

4.2.1 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：

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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);
        }
    }
}

4.2.2 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。

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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));
    }
}