什么通信协议？UART自定义通信协议代码实现方法

我们学习单片机，首先接触的可能是点灯（GPIO），再次就是串口（UART）。

串口是常用的一种通信接口，也是学嵌入式必备掌握的一项知识，但我发现有很多小伙伴只知道用串口输出或者打印一些数据，却不知道如何用串口进行数据传输和通信。

这里就给大家分享一下串口通信协议、自定义通信协议，以及实现的原理。

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：

帧头

温度值

帧尾

5A	一字节数值	3B

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。

简单通信协议的问题

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。

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。

（这是一些常见的协议内容，可能不同情况，其协议内容不同）

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.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.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；

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；

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 ~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。

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。

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：

#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));
}

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。

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);
}

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：

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;

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：

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);
    }
  }
}

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。

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));
  }
}

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。

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。

审核编辑：刘清