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，但我發現有很多小伙伴只知道用串口輸出或者打印一些數據，卻不知道如何用串口進行數據傳輸和通信。

這里就給大家分享一下串口通信協議、自定義通信協議，以及實現的原理。

什么通信協議？

通信協議不難理解，就是兩個（或多個）設備之間進行通信，必須要遵循的一種協議。

百度百科的解釋：

通信協議是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。通過通信信道和設備互連起來的多個不同地理位置的數據通信系統，要使其能協同工作實現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則。這個規則就是通信協議。

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議的例子：比如只傳輸一個溫度值，只有三個字節的通信協議：

幀頭

溫度值

幀尾

這種看起來是不是很簡單？它也是一種通信協議。

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

簡單通信協議的問題

上面那種只有三個字節的通信協議，相信大家都看明白了。雖然它也能通信，也能傳輸數據，但它存在一系列的問題。

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

還比如：處于一個干擾環境，你能保障傳輸數據正確嗎？（沒有校驗信息）

再比如：我想傳輸多個不確定長度的數據，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，在通信協議里面要約定更多的“協議信息”，這樣才能保證通信的完整。

通信協議常見內容

基于串口的通信協議通常不能太復雜，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這種通信協議，是一種很輕量級的通信協議。

所以，基于串口的通信，除了一些通用的通信協議（比如：Modubs、MAVLink）之外，很多時候，工程師都會根據自己項目情況，自定義通信協議。

下面簡單描述下常見自定義通信協議的一些要點內容。

（這是一些常見的協議內容，可能不同情況，其協議內容不同）

1.幀頭

幀頭，就是一幀通信數據的開頭。

有的通信協議幀頭只有一個，有的有兩個，比如：5A、A5作為幀頭。

2.設備地址/類型

設備地址或者設備類型，通常是用于多種設備之間，為了方便區分不同設備。

這種情況，需要在協議或者附錄中要描述各種設備類型信息，方便開發者編碼查詢。

當然，有些固定的兩種設備之間通信，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.數據長度

數據長度這個選項，可能有的協議會把該選項提到前面設備地址位置，把命令這些信息算在“長度”里面。

這個主要是方便協議（接收）解析的時候，統計接收數據長度。

比如：有時候傳輸一個有效數據，有時候要傳輸多個有效數據，甚至傳輸一個數組的數據。這個時候，傳輸的一幀數據就是不定長數據，就必須要有【數據長度】來約束。

有的長度是一個字節，其范圍：0x01 ~ 0xFF，有的可能要求一次性傳輸更多，就用兩個字節表示，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、濕度這兩個數據），其協議可能沒有這個選項。

6.數據

數據就不用描述了，就是你傳輸的實實在在的數據，比如溫度：25℃。

7.幀尾

有些協議可能沒有幀尾，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容，一般正規一點的通信協議都有這個選項，原因很簡單，通信很容易受到干擾，或者其他原因，導致傳輸數據出錯。

如果有校驗碼，就能比較有效避免數據傳輸出錯的的情況。

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

還有一點，有的協議可能把校驗碼放在倒數第二，幀尾放在最后位置。

通信協議代碼實現

自定義通信協議，代碼實現的方式有很多種，怎么說呢，“條條大路通羅馬”你只需要按照你協議要寫實現代碼就行。

當然，實現的同時，需要考慮你項目實際情況，比如通信數據比較多，要用消息隊列（FIFO），還比如，如果協議復雜，最好封裝結構體等。

下面分享一些以前用到的代碼，可能沒有描述更多細節，但一些思想可以借鑒。

1.消息數據發送

a.通過串口直接發送每一個字節

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寫數據指令
#define DGUS_CMD_R_DATA           0x83                     //DGUS讀數據指令
#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
#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數據
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));             //數據
  DGUS_SendByte((uint8_t)(Data&0xFF));
}


//往DGDS屏指定地址寫一字節數據
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));             //數據
  DGUS_SendByte((uint8_t)(Data&0xFF));
}

b.通過消息隊列發送

在上面基礎上，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）發送出去。

static uint8_t  sDGUS_SendBuf[DGUS_PACKAGE_LEN];


//往DGDS屏指定寄存器寫一字節數據
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);         //數據
  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數據
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);         //數據
  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“結構體”代替“數組SendBuf”方式

結構體對數組更方便引用，也方便管理，所以，結構體方式相比數組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];   //數據
  uint16_t CRC16;                 //CRC校驗
}DGUS_PACKAGE_TypeDef;

d.其他更多

串口發送數據的方式有很多，比如用DMA的方式替代消息隊列的方式。

2.消息數據接收

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據。

a.常規中斷接收

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;
  }


  /* 確定一幀數據長度 */
  if(gDGUS_RxCnt == 3)
  {
    sDgus_RxNum = sDgus_RxBuf[2] + 3;
  }


  /* 接收完一幀數據 */
  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

接收數據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的處理，接收到一個數據，開始計時，超過1ms沒有接收到下一個數據，就丟掉這一包（前面接收的）數據。

static void DGUS_TimingAndUpdate(uint16_t Nms)
{
  sDGUSTiming_Nms_Num = Nms;
  TIM_SetCounter(DGUS_TIM, 0);                   //設置計數值為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

接收和發送一樣，實現方法有很多種，比如接收同樣也可以用結構體方式。但有一點，都需要結合你實際需求來編碼。

最后

以上自定義協議內容僅供參考，最終用哪些、占用幾個字節都與你實際需求有關。

基于串口的自定義通信協議，有千差萬別，比如：MCU處理能力、設備多少、通信內容等都與你自定義協議有關。

有的可能只需要很簡單的通信協議就能滿足要求。有的可能需要更復雜的協議才能滿足。

最后強調兩點：

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

2.一份好的通信協議代碼，必定有一定容錯處理，比如：發送完成檢測、接收超時檢測、數據出錯檢測等等。所以說，以上代碼并不是完整的代碼。

審核編輯：劉清