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    • 通信協(xié)議常見內(nèi)容
    • 通信協(xié)議代碼實現(xiàn)
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UART自定義通信協(xié)議代碼實現(xiàn)方法

2023/11/03
1884
閱讀需 21 分鐘
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我們學習單片機,首先接觸的可能是點燈(GPIO),再次就是串口(UART)。

串口是常用的一種通信接口,也是學嵌入式必備掌握的一項知識,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,有的相對復雜一點。

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

5A 一字節(jié)數(shù)值 3B

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)議應用的場合相對比較簡單(一對一兩個設(shè)備之間),同時,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)議通常不能太復雜,因為串口通信速率、抗干擾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,很多時候,工程師都會根據(jù)自己項目情況,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。

當然,有些固定的兩種設(shè)備之間通信,可能沒有這個選項。

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

這個選項對命令進一步補充。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,可能有的協(xié)議會把該選項提到前面設(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)解析的時候,統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)長度。

比如:有時候傳輸一個有效數(shù)據(jù),有時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。

6.數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)就不用描述了,就是你傳輸?shù)膶崒嵲谠诘臄?shù)據(jù),比如溫度:25℃。

7.幀尾

有些協(xié)議可能沒有幀尾,這個應該是可有可無的一個選項。

8.校驗碼

校驗碼是一個比較重要的內(nèi)容,一般正規(guī)一點的通信協(xié)議都有這個選項,原因很簡單,通信很容易受到干擾,或者其他原因,導致傳輸數(shù)據(jù)出錯。

如果有校驗碼,就能比較有效避免數(shù)據(jù)傳輸出錯的的情況。

校驗碼的方式有很多,校驗和、CRC校驗算是比較常見的,用于自定義協(xié)議中的校驗方式。

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

通信協(xié)議代碼實現(xiàn)

自定義通信協(xié)議,代碼實現(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)議要寫實現(xiàn)代碼就行。

當然,實現(xiàn)的同時,需要考慮你項目實際情況,比如通信數(shù)據(jù)比較多,要用消息隊列(FIFO),還比如,如果協(xié)議復雜,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 //蜂鳴器時長#define DGUS_REG_PIC_ID 0x03 //顯示頁面ID#define DGUS_REG_TP_FLAG 0x05 //觸摸坐標更新標志#define DGUS_REG_TP_STATUS 0x06 //坐標狀態(tài)#define DGUS_REG_TP_POSITION 0x07 //坐標位置#define DGUS_REG_TPC_ENABLE 0x0B //觸控使能#define DGUS_REG_RTC_NOW 0x20 //當前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”到消息隊列,通過消息隊列的方式(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 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 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,也更實用。(當然,如果成員比較多,如果用臨時變量方式也會導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}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, 加入隊列 { xQueueSendFromISR(xDGUSRcvQueue, &sDgus_RxBuf[0], &xHigherPriorityTaskWoken); portEND_SWITCHING_ISR(xHigherPriorityTaskWoken); } }}

b.增加超時檢測

接收數(shù)據(jù)有可能存在接收了一半,中斷因為某種原因中斷了,這時候,超時檢測也很有必要。

比如:用多余的MCU定時器做一個超時計數(shù)的處理,接收到一個數(shù)據(jù),開始計時,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)置計數(shù)值為0 TIM_Cmd(DGUS_TIM, ENABLE); //啟動定時器}
void DGUS_COM_IRQHandler(void){ if((DGUS_COM->SR & USART_FLAG_RXNE) == USART_FLAG_RXNE) { DGUS_TimingAndUpdate(5); //更新定時(防止超時) DGUS_ISRHandler((uint8_t)USART_ReceiveData(DGUS_COM)); }}

c.更多

接收和發(fā)送一樣,實現(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,都需要結(jié)合你實際需求來編碼。

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。有的可能需要更復雜的協(xié)議才能滿足。

最后強調(diào)兩點:

1.以上舉例并不是完整的代碼(有些細節(jié)沒有描述出來),主要是供大家學習這種編程思想,或者實現(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。

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作者黃工,從事嵌入式軟件開發(fā)工作8年有余,高級嵌入式軟件工程師,業(yè)余維護公眾號『strongerHuang』,分享嵌入式軟硬件、單片機、物聯(lián)網(wǎng)等內(nèi)容。