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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(shí)，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(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

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。

簡(jiǎn)單通信協(xié)議的問(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。

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?、抗干擾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(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，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(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。

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。