串口通信用户层协议编制技巧与实现

前言

协议就是约束双方通信的一种规范，只有严格遵守这种协议的设备才能进行相互的通信。比如串口通信协议，必须包含起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485等。与此类似还有I2C通信协议。但是往往这些只是底层的通信协议，很多外设都已经集成好了，只需配置相关的寄存器就能够得到数据主体了。根本不需要用户去关注协议的组成，而我这篇文章主要讲的是用户层协议的编制原理和实现手段。

什么是用户层协议？简单的说就是用户自定义的某种数据格式，有包头，心跳帧，命令字，数据帧，校验帧，结尾帧等。当需要接受数据帧的设备收到一帧数据后，进行解包，并且校验，将有用的数据帧提取出来，然后根据具体的数据帧执行相应的动作。这就是用户协议编制的基本原理。下面来具体讲一下这个过程。

什么情况下会用到用户层协议

做嵌入式肯定会遇到两个模块进行通信的情景，比如两个mcu或者两个mpu，mcu与mpu之间的交互，往往涉及到多种逻辑。不像单功能模块一样只做一件事，可能涉及到许多的交互，比如状态上传，控制逻辑等等。举个例子来说，mcu要和智能电表进行交互。此时mcu不仅可以读取到电表电能，电量等信息，也可以控制空开的开合闸。同时，电表也可能主动向mcu上传一些报警信息。针对这样的情况，就需要制定电表协议，电表按照这样的协议进行数据收发，mcu也需要有发出或者解析这样格式的能力。

从modbus协议开始分析

首先Modbus是一种工业上常用的通信协议，其中包含RTU,ASCII,TCP等等，其中MODBUS-RTU比较容易实现。一般的文档写的都比较复杂，将用最简单的方式讲述一下这个过程。我们不分析协议内容，只讲协议的实现。

假如我们从串口收到了一条报文：01 06 00 01 00 17 98 04。这一串16进制的数据被存放在一个buf数组中，首先编程人员要理解这一串数据的含义，所以先进行拆包。

从机地址：

一条总线上可能挂载多个设备（对于串口一般是RS-485）。所以需要广播这个消息是发送给哪个设备的，01表示告诉的是地址编号为01的设备。

功能号：

顾名思义，功能号就是通知该设备执行什么动作，比如控制LED灯，或者打开某个寄存器等等。每一项动作都是有特定的功能号。

数据地址：

数据地址就是操作的设备的寄存器，这个在modbus协议特有，暂时不做分析。自定义协议时也很少用到。

数据：

这部分就是将特定的数据交给设备，比如可以自定义开灯动作为数据”1“，关灯动作为数据"0"。设备接收到特定的功能号，然后解析这个数据，就能够执行具体的动作了。

CRC校验：

校验的目的就是为了保证这一包数据的完整性，发送过来的数据是主机已经算好了CRC校验码，然后设备收到数据后，再次将前面的数据算一遍，然后与接收到的CRC校验码进行对比，如果数据是准确的，就证明数据完整且传输过程中没有出现错误数据。然后才能开始执行动作。如果校验有误，应该丢弃该包数据，请求重传，以免造成不可预知的后果。

主机发送完这串字符串后，可以看到编号为01的从机开始执行动作了。这只是一个最简单的例子，但是也能说明白用户层协议是怎么一回事。

开始一个简单的应用

协议制定

在做项目之前，先设计需求，假如我们有这样一个需求：现在做了一个从机的板子，上边只有一个按键和一个led。这块板子和另一块主机通过串口方式进行连接。当主机发送数据包:命令码0x01,控制码0x01的数据过来时，点亮模块板上的LED，当主机发送数据包:命令码0x01,控制码0x00的数据过来时，熄灭板子上的LED。当按键按下时，板子主动上传:命令码0x02,控制码0x00的数据。

功能已经明确，接着就开始写协议文档。

协议文档就是约束通信双方的通信格式，一般用word文档比较正式也比较好交接。首先可以规定串口波特率，有无校验位，停止位。然后开始规范包格式。根据这个简单的应用需求，我可以先制定包格式如下

制定完基本格式，然后一条一条的完善这个协议

LED控制(0x01)

数据格式

说明：

当收到命令为0x01的命令码时，需要判断控制码执行的动作，然后进行关灯和开灯的操作。

按键状态上传(0x02)

数据格式

说明：

当按键按下时，模块主动向主机发送命令码为0x02的数据包，其他情况下不会发送。

程序分析

可以用在stm32f103cbt6上进行实验，在写代码时，先设计程序的框架。用到的资源：

1.串口

2.rt-thread操作系统

3.按键中断

4.led

如果用到了rt-thread系统，就不用从头开始，我们只专注于协议部分的实现就好。点灯操作可以采用pin驱动模型。程序部分的设计我将在下一篇文章中详细介绍。

总结

用户协议的制定是非常重要，也是非常的关键的，前面很多人都不理解协议，这篇文章写得很基础，也非常容易理解，希望能够给大家一点帮助。下一篇文章将从协议的去耦合性以及可扩展性上详细设计一下代码。