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【转载】如何实现自定义串口通信协议?--from嗷呜

助工
2022-06-23 21:15:51     打赏

有一些初学者总觉得通信协议是一个很复杂的知识,把它想的很高深,导致不知道该怎么学。
同时,偶尔有读者问关于串口自定义通信协议相关的问题,今天就来写写串口通信协议,并不是你想想中的那么难?

1什么通信协议?

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。


相应该有很多读者都买过一些基于串口通信的模块,市面上很多基于串口通信的模块都是自定义通信协议,有的比较简单,有的相对复杂一点。

举一个很简单的串口通信协议的例子:比如只传输一个温度值,只有三个字节的通信协议:

1.jpg

这种看起来是不是很简单?它也是一种通信协议。
只是说这种通信协议应用的场合相对比较简单(一对一两个设备之间),同时,它存在很多弊端。

2过于简单的通信协议引发的问题

上面那种只有三个字节的通信协议,相信大家都看明白了。虽然它也能通信,也能传输数据,但它存在一系列的问题。
比如: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)
还比如: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)
再比如:我想传输多个不确定长度的数据,该怎么办?(没有长度信息)。
上面这一系列问题,相信做过自定义通信的朋友都了解。

所以,在通信协议里面要约定更多的“协议信息”,这样才能保证通信的完整。

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。

1.png

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。

2.png

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。

3.png

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.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。

4.png

举例:温度:0x01;湿度:0x02;

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。

5.png

举例:读Flash:0x01; 写Flash:0x02;

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。

6.png

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,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 ~ 0xFFFFF。

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。

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℃。

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。

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。

7.png

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。

1.消息数据发送

a.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:

11.jpg

22.jpg

b.通过消息队列发送

在上面基础上,用一个buf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。

33.jpg

44.jpg

c.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:

55.jpg

d.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。

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。

a.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:

66.jpg

77.jpg

b.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。

88.jpg

c.更多

接收和发送一样,实现方法有很多种,比如接收同样也可以用结构体方式。但有一点,都需要结合你实际需求来编码。


5最后

以上自定义协议内容仅供参考,最终用哪些、占用几个字节都与你实际需求有关。
基于串口的自定义通信协议,有千差万别,比如:MCU处理能力、设备多少、通信内容等都与你自定义协议有关。
有的可能只需要很简单的通信协议就能满足要求。有的可能需要更复杂的协议才能满足。

最后强调两点:

1.以上举例并不是完整的代码(有些细节没有描述出来),主要是供大家学习这种编程思想,或者实现方式。

2.一份好的通信协议代码,必定有一定容错处理,比如:发送完成检测、接收超时检测、数据出错检测等等。所以说,以上代码并不是完整的代码。


转载自网络,如有侵权,联系删除。




专家
2022-06-23 21:39:54     打赏
2楼

有些协议可能没有帧尾


专家
2022-06-23 21:45:02     打赏
3楼

看看


高工
2022-06-24 09:21:15     打赏
4楼

谢谢分享


院士
2022-06-24 09:54:46     打赏
5楼

帧尾之后为什么还要有校验字段。

这个违反了原则啊!


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