如何制定通讯协议及如何解析协议数据

什么是通讯协议？

通讯协议又称通信规程，是指通信双方对数据传送控制的一种约定。约定中包括对数据格式，同步方式，传送速度，传送步骤，检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。

电脑与电脑之间的沟通必须讲述相同的语言，才能互相传输信息，自然资料在国际互联网上传递，每一份都要符合一定的规格（即是相同的语言），否则中国送出的资料，在美国那边要怎么收下呢？

这些规格（语言）的规定都是事先在会议上讲好的，一般我们称之为“协议”（英文称为protocol），而这种在网络上负责定义资料传输规格的协议，我们就统称为通讯协议。

一句话就是，双方按照同样的约定去做一件事情。

如何定义通讯协议

这里小飞哥只简单介绍一下思路及比较简单的通讯协议，让小伙伴们有个了解，学会举一反三。

以MODBUS协议为例，我们看下一般协议的组成部分：

拿16功能码，写多个寄存器指令为例：

其中包括了：

地址码：1字节

功能码：1字节

起始地址：2字节

寄存器数量：2字节（即是数据段长度）

字节数：寄存器数量 * 2

寄存器值：数据

CRC校验：2字节

总结起来就是包含了地址码、功能码、数据长度、数据、校验码等要素

数据发出去一般需要接收方有个回音，确认是否接收到数据及数据是否正确，也即是上面的相应PDU、错误响应

模仿modbus协议，我们来制定字节的通讯协议，这里所说的通讯协议是应用层的，串口本身就是一种协议，采用以下的格式来定义：

数据头（2字节）+数据长度（1字节）+功能码+数据+校验码（CRC16-MODBUS）

数据头：可以采用常用的5A A5 AA 55 55 AA等，为什么采用这两个值呢，是有一定讲究的，我们增加数据头的目的是为了确认数据包是我们需要的，这个数据头受干扰出错的话要比较容易识别，从二进制来看

0xaa是1010 1010

0x55是0101 0101

在通讯编码原理中，应该尽可能避免过多的重复0或1，因为当你的传输变成一个长0/1时，一个脉冲干扰就会将你的数据截断，整加误码的机会。

这样，我们就以以下数据格式为例，进行解析：

数据格式：

AA 55 07 01 11 23 88 98 8A 9C

CRC16-MODBUS校验计算

这部分就不废话了，直接看代码就可以了,可以用查表法，也可以直接计算

查表法：

#include "crc.h"

static const unsigned char aucCRCHi[] = {

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41,

0x00, 0xC1, 0x81, 0x40

};

static const unsigned char aucCRCLo[] = {

0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, 0xC6, 0x06, 0x07, 0xC7,

0x05, 0xC5, 0xC4, 0x04, 0xCC, 0x0C, 0x0D, 0xCD, 0x0F, 0xCF, 0xCE, 0x0E,

0x0A, 0xCA, 0xCB, 0x0B, 0xC9, 0x09, 0x08, 0xC8, 0xD8, 0x18, 0x19, 0xD9,

0x1B, 0xDB, 0xDA, 0x1A, 0x1E, 0xDE, 0xDF, 0x1F, 0xDD, 0x1D, 0x1C, 0xDC,

0x14, 0xD4, 0xD5, 0x15, 0xD7, 0x17, 0x16, 0xD6, 0xD2, 0x12, 0x13, 0xD3,

0x11, 0xD1, 0xD0, 0x10, 0xF0, 0x30, 0x31, 0xF1, 0x33, 0xF3, 0xF2, 0x32,

0x36, 0xF6, 0xF7, 0x37, 0xF5, 0x35, 0x34, 0xF4, 0x3C, 0xFC, 0xFD, 0x3D,

0xFF, 0x3F, 0x3E, 0xFE, 0xFA, 0x3A, 0x3B, 0xFB, 0x39, 0xF9, 0xF8, 0x38,

0x28, 0xE8, 0xE9, 0x29, 0xEB, 0x2B, 0x2A, 0xEA, 0xEE, 0x2E, 0x2F, 0xEF,

0x2D, 0xED, 0xEC, 0x2C, 0xE4, 0x24, 0x25, 0xE5, 0x27, 0xE7, 0xE6, 0x26,

0x22, 0xE2, 0xE3, 0x23, 0xE1, 0x21, 0x20, 0xE0, 0xA0, 0x60, 0x61, 0xA1,

0x63, 0xA3, 0xA2, 0x62, 0x66, 0xA6, 0xA7, 0x67, 0xA5, 0x65, 0x64, 0xA4,

0x6C, 0xAC, 0xAD, 0x6D, 0xAF, 0x6F, 0x6E, 0xAE, 0xAA, 0x6A, 0x6B, 0xAB,

0x69, 0xA9, 0xA8, 0x68, 0x78, 0xB8, 0xB9, 0x79, 0xBB, 0x7B, 0x7A, 0xBA,

0xBE, 0x7E, 0x7F, 0xBF, 0x7D, 0xBD, 0xBC, 0x7C, 0xB4, 0x74, 0x75, 0xB5,

0x77, 0xB7, 0xB6, 0x76, 0x72, 0xB2, 0xB3, 0x73, 0xB1, 0x71, 0x70, 0xB0,

0x50, 0x90, 0x91, 0x51, 0x93, 0x53, 0x52, 0x92, 0x96, 0x56, 0x57, 0x97,

0x55, 0x95, 0x94, 0x54, 0x9C, 0x5C, 0x5D, 0x9D, 0x5F, 0x9F, 0x9E, 0x5E,

0x5A, 0x9A, 0x9B, 0x5B, 0x99, 0x59, 0x58, 0x98, 0x88, 0x48, 0x49, 0x89,

0x4B, 0x8B, 0x8A, 0x4A, 0x4E, 0x8E, 0x8F, 0x4F, 0x8D, 0x4D, 0x4C, 0x8C,

0x44, 0x84, 0x85, 0x45, 0x87, 0x47, 0x46, 0x86, 0x82, 0x42, 0x43, 0x83,

0x41, 0x81, 0x80, 0x40

};

uint16_t CRC16( unsigned char * pucFrame, uint16_t usLen )

{

unsigned char ucCRCHi = 0xFF;

unsigned char ucCRCLo = 0xFF;

int iIndex;

while( usLen-- )

{

iIndex = ucCRCLo ^ *( pucFrame++ );

ucCRCLo = ( unsigned char )( ucCRCHi ^ aucCRCHi[iIndex] );

ucCRCHi = aucCRCLo[iIndex];

}

return ( uint16_t )( ucCRCHi << 8 | ucCRCLo );

}

直接计算法：

uint16_t CRC_Compute(uint8_t *puchMsg, uint16_t usDataLen)

{

uint8_t uchCRCHi = 0xFF ;

uint8_t uchCRCLo = 0xFF ;

uint32_t uIndex ;

while (usDataLen--)

{

uIndex = uchCRCHi ^ *puchMsg++ ;

uchCRCHi = uchCRCLo ^ auchCRCHi[uIndex] ;

uchCRCLo = auchCRCLo[uIndex] ;

}

return ((uchCRCHi) <<8 | (uchCRCLo) ) ;

}

协议解析

重头戏在如何解析协议，其实也简单，可以做一个状态机，不断切换状态就可以啦...

本节我们使用的是串口中断+队列的方式，对数据进行解析，除此之外，MCU有DMA的话，强烈建议使用DMA以降低MCU负荷，后面再讲结合DMA的方式,还是使用的CUBEMX配置，配置比较简单，就直接掠过啦

先来定义一些相关的变量，基本上就是一些宏定义和结构体变量之类的，采用命令与功能回调函数绑定的方式

#define UART_RXBUFFER_SIZE 256

#define UART_FRAME_SIZE 2

/*命令码*/

#define CMD_READREG 0x01

#define CMD_WRITEDREG 0x02

#define CMD_CONFIGURE 0x03

#define CMD_IAP 0x04

/*协议相关*/

#define FRAME_LEN_POS 2//数据帧长度索引

#define FRAME_CMD_POS 3//命令码索引

#define FRAME_HEAD1 0xAA

#define FRAME_HEAD2 0x55

typedef enum {

frame_head1status = 0,

frame_head2status = 0x01,

frame_lenstatus = 0x02,

frame_datastatus = 0x03

}_E_FRAME_STATUS;

typedef struct {

uint8_t len; //数据接收长度

uint8_t rxbuffer[UART_RXBUFFER_SIZE];//数据接收缓存

}_S_UART_RX;

typedef struct{

uint8_t queue_head;//队列头

uint8_t queue_tail;//对列尾

}_S_QUEUE;

typedef struct{

uint8_t cmd;//命令

uint8_t (*callback_func)(uint8_t cmd, uint8_t *msg, uint8_t len);//命令对应的函数

}_S_FUNCCALLBACK;

在串口中断中我们这么做：

/**

* @brief This function handles USART1 global interrupt.

*/

void USART1_IRQHandler(void)

{

/* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */

#if 0

/* USER CODE END USART1_IRQn 0 */

HAL_UART_IRQHandler(&huart1);

/* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */

#else

if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_RXNE)!= RESET)

{

__HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1,UART_FLAG_RXNE); //清除标志

s_uart_rx[s_queue.queue_tail].rxbuffer[(s_uart_rx[s_queue.queue_tail].len)++] = (uint8_t)(USART1->DR & (uint8_t)0x00FF);

}

#endif

/* USER CODE END USART1_IRQn 1 */

}

功能函数中我们主要封装以下几个函数,写的比较草率，核心思想是没问题的哈...

/***********************************************

*函数名称：User_UartIRQInit

*函数功能：串口中断初始化

*入口参数：CMD

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

void User_UartIRQInit(uint8_t CMD)

{

if(ENABLE==CMD)

{

__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1,UART_IT_RXNE);

}

if(DISABLE==CMD)

{

__HAL_UART_DISABLE_IT(&huart1,UART_IT_RXNE);

}

}

顶层设计，我们不断轮训串口任务,主要是判断队列中是否有数据：

/***********************************************

*函数名称：User_UartPoll

*函数功能：串口任务轮询

*入口参数：CMD

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

uint8_t User_UartPoll(void)

{

if(0 == s_uart_rx[s_queue.queue_head].len)

{

return 0;

}

if(s_queue.queue_head == s_queue.queue_tail)

{

if(s_queue.queue_tail>UART_RXBUFFER_SIZE-1)

{

s_queue.queue_tail = 0;

}

else

{

s_queue.queue_tail++;

}

}

for(uint8_t i = 0;i

{

User_UartDataParse(s_uart_rx[s_queue.queue_head].rxbuffer[i]);

}

s_uart_rx[s_queue.queue_head].len = 0;

if(s_queue.queue_head == s_queue.queue_tail)

{

if(s_queue.queue_head>UART_RXBUFFER_SIZE-1)

{

s_queue.queue_head = 0;

}

else

{

s_queue.queue_head++;

}

}

return 1;

}

重头戏在这个函数,里面是一个状态机，通过判断不同的数据，不断地切换当前状态：

/***********************************************

*函数名称：User_UartDataParse

*函数功能：串口数据解析

*入口参数：NULL

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

uint8_t User_UartDataParse(uint8_t data)

{

static uint8_t e_frame_status = frame_head1status;

static uint8_t frame_len = 0;

static uint8_t index = 0;

static uint8_t rx_bufftemp[256] = {0};

uint16_t crc_temp = 0;

switch (e_frame_status){

case frame_head1status: //判断数据头1

if(data == FRAME_HEAD1)

{

e_frame_status = frame_head2status;

rx_bufftemp[index] = data;

index++;

}

else

{

e_frame_status = frame_head1status;

index = 0;

memset(rx_bufftemp,0,256);

}

break;

case frame_head2status://判断数据头2

if(data == FRAME_HEAD2)

{

e_frame_status = frame_lenstatus;

rx_bufftemp[index] = data;

index++;

}

else

{

e_frame_status = frame_head1status;

index = 0;

memset(rx_bufftemp,0,256);

}

break;

case frame_lenstatus://判断数据长度

if(data>0 && data <= 255)

{

e_frame_status = frame_datastatus;

rx_bufftemp[index] = data;

index++;

}

else

{

e_frame_status = frame_head1status;

index = 0;

memset(rx_bufftemp,0,256);

}

break;

case frame_datastatus://接收数据

if(index>0 && index <= 255)

{

rx_bufftemp[index] = data;

index++;

if(index == (rx_bufftemp[FRAME_LEN_POS] + 3))//根据数据长度判断接收一帧数据是否接收完成

{

crc_temp = rx_bufftemp[index-2]+(rx_bufftemp[index-1]<<8);

if(crc_temp == CRC16(rx_bufftemp+FRAME_CMD_POS,index-5))//CRC校验相同

{

User_UartFrameParse(rx_bufftemp[FRAME_CMD_POS],rx_bufftemp,index);

e_frame_status = frame_head1status;

index = 0;

memset(rx_bufftemp,0,256);

User_UartFrameParseEnd();

}

else//不同

{

//校验值不同数据错误，执行错误逻辑，返回错误码等

}

}

}

else

{

e_frame_status = frame_head1status;

index = 0;

memset(rx_bufftemp,0,256);

}

break;

default:

e_frame_status = frame_head1status;

index = 0;

memset(rx_bufftemp,0,256);

break;

}

}

接下来是对用的功能函数,这部分主要用到了回调函数的方式，命令码与任务绑定，随便定义了4组命令，小伙伴们可以根据自己的需要，修改即可，而不用动框架：

/***********************************************

*函数名称：User_ReadRegCallback

*函数功能：

*入口参数：

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

uint8_t User_ReadRegCallback(uint8_t cmd, uint8_t *msg, uint8_t len)

{

uint8_t TestData[5] = {0x01,0x02,0x03,0x04,0x05};

User_UartFrameSend(cmd,TestData,msg,5);

}

/***********************************************

*函数名称：User_WriteRegCallback

*函数功能：

*入口参数：

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

uint8_t User_WriteRegCallback(uint8_t cmd, uint8_t *msg, uint8_t len)

{

uint8_t TestData[5] = {0x01};

User_UartFrameSend(cmd,TestData,msg,5);

}

/***********************************************

*函数名称：User_ConfigCallback

*函数功能：

*入口参数：

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

uint8_t User_ConfigCallback(uint8_t cmd, uint8_t *msg, uint8_t len)

{

uint8_t TestData[5] = {0x01,0x02,0x03};

User_UartFrameSend(cmd,TestData,msg,5);

}

/***********************************************

*函数名称：User_IAPCallback

*函数功能：

*入口参数：

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

uint8_t User_IAPCallback(uint8_t cmd, uint8_t *msg, uint8_t len)

{

uint8_t TestData[5] = {0x01,0x02,0x03,0x04};

User_UartFrameSend(cmd,TestData,msg,5);

}

_S_FUNCCALLBACK callback_list[]=

{

{ CMD_READREG,User_ReadRegCallback},

{ CMD_WRITEDREG,User_WriteRegCallback},

{ CMD_CONFIGURE,User_ConfigCallback},

{ CMD_IAP,User_IAPCallback},

};

/***********************************************

*函数名称：User_UartFrameParse

*函数功能：串口功能响应函数

*入口参数：NULL

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

void User_UartFrameParse(uint8_t cmd, uint8_t *msg, uint8_t len)

{

uint8_t cmd_indexmax = sizeof(callback_list) / sizeof(_S_FUNCCALLBACK);

uint8_t cmd_index = 0;

for (cmd_index = 0; cmd_index < cmd_indexmax; cmd_index++)

{

if (callback_list[cmd_index].cmd == cmd)

{

if(callback_list[cmd_index].callback_func != NULL)

{

callback_list[cmd_index].callback_func(cmd, msg, len);

}

}

}

}

然后是回复函数：

/***********************************************

*函数名称：User_UartFrameSend

*函数功能：串口发送数据组包

*入口参数：NULL

*返回参数：NULL

*说明：

*作用域：内部

***********************************************/

uint8_t User_UartFrameSend(uint8_t cmd,uint8_t *pdata, uint8_t *msg, uint8_t len)

{

uint8_t index = 0;

uint16_t crc_temp = 0;

msg[index++] = FRAME_HEAD1;

msg[index++] = FRAME_HEAD2;

msg[index++] = len;

msg[index++] = cmd;

for(uint8_t i = 0;i

{

msg[index++] = pdata[i];

}

crc_temp = CRC16(msg+FRAME_CMD_POS,index-3);

msg[index++] = crc_temp & 0x00FF;

msg[index++] = crc_temp>>8 & 0x00FF;

HAL_UART_Transmit(&huart1,msg,index,100);

return index;

}

到这里就完结了，还是比较简单的，希望能够帮到对数据解析还有些没迷茫的小伙伴

经验交流

扫码添加小飞哥好友即可，回复“进群”，进入嵌入式交流群，快来成为“人类高质量嵌入式开发者”吧