嵌入式硬件通信接口協(xié)議-UART（四）設(shè)計(jì)起止式的應(yīng)用層協(xié)議

　　串口實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)終端設(shè)備之間進(jìn)行可靠的通信，串口在這中間完成了傳輸層的作用。本次要講的是關(guān)于數(shù)據(jù)的協(xié)議。

　　類似場(chǎng)景

　　洞幺!洞幺!我是洞拐!收到請(qǐng)回答!收到請(qǐng)回答!over!

　　在戰(zhàn)爭(zhēng)題材影視劇中經(jīng)常能夠看到這樣的對(duì)白，在通過對(duì)講機(jī)等相關(guān)無(wú)線設(shè)備呼叫隊(duì)友時(shí)，先呼叫對(duì)方名稱，然后告知自己身份，說(shuō)完內(nèi)容最后再說(shuō)over，表示一次呼叫結(jié)束。

　　是的，沒錯(cuò)，這就是本節(jié)要講的在串口通信中發(fā)揮重要作用的起止式協(xié)議!

　　UART的時(shí)序本身就是起止式協(xié)議，具體可參考《嵌入式硬件通信接口協(xié)議-UART(一)協(xié)議基礎(chǔ)》這一篇內(nèi)容的介紹。

　　事實(shí)上串口實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信過程中的傳輸層，而應(yīng)用層就系統(tǒng)功能的業(yè)務(wù)邏輯，應(yīng)用層控制需要收發(fā)的各種數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　數(shù)據(jù)解析的前提是通信雙方都是用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式，因此在這里將設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的起止式的數(shù)據(jù)幀格式，保證設(shè)備之間進(jìn)行可靠的通信。

　　現(xiàn)在的很多無(wú)線模塊，為了使用簡(jiǎn)單和易于集成，模塊對(duì)外使用UART接口，并采用AT指令來(lái)完成配置和使用，常見的有ESP8266的WiFi模塊、HC-05藍(lán)牙串口模塊。

　　AT指令的特點(diǎn)是易于人機(jī)交互，使用者對(duì)其發(fā)AT指令時(shí)，都是用ASCII字符發(fā)送，對(duì)于模塊的處理，也是以字符來(lái)處理。這樣的AT指令，它的起止式特點(diǎn)是以“AT”兩個(gè)字符開頭，并以回車換行“”字符結(jié)束。

　　HC-05藍(lán)牙模塊指令示例

　　但是項(xiàng)目工程中，數(shù)據(jù)在嵌入式設(shè)備是以HEX數(shù)據(jù)(16進(jìn)制)運(yùn)算和處理，如果參考AT指令去設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)，那么在收發(fā)處理時(shí)候，必然要將收到的純數(shù)據(jù)(16進(jìn)制)按照字符處理。

　　比如一個(gè)終端設(shè)備，其功能就是環(huán)境檢測(cè)，可能包含溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、PM2.5濃度等等，如果要發(fā)出一個(gè)溫度采集結(jié)果24℃數(shù)據(jù)，采集設(shè)備將數(shù)據(jù)24分成2個(gè)字節(jié)發(fā)送，因?yàn)锳SCII字符’2’對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制是0x32、ASCII字符’4’對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制是0x34，這樣的一個(gè)溫度數(shù)據(jù)就需要2個(gè)字節(jié)來(lái)發(fā)送。接收端接收到的是0x32、0x34后，再以查表方式逆向換算出原溫度數(shù)據(jù)’24’，這個(gè)過程就是采用字符處理的麻煩之一。

　　因此不考慮使用ASCII字符來(lái)組幀結(jié)構(gòu)。

　　精簡(jiǎn)起止式結(jié)構(gòu)

　　最簡(jiǎn)單的幀，就是有開頭+結(jié)尾做起止標(biāo)志。

　　比如0x55 + 數(shù)據(jù)包 + 0xAA。

　　在一長(zhǎng)串的數(shù)據(jù)流中，接收端逐字節(jié)接收，并判斷是否存在0x55，如果存在則開始存入數(shù)據(jù)包緩沖器，直到接收了0xAA數(shù)據(jù)，認(rèn)為完成一幀數(shù)據(jù)的接收。

　　這個(gè)方法確實(shí)相當(dāng)簡(jiǎn)單，不用太多的處理，只需要判斷開頭和結(jié)尾即可。

　　而這樣存在很大的問題，如果傳輸?shù)膬?nèi)容也有0xAA這樣的數(shù)據(jù)，這個(gè)0xAA并非結(jié)尾標(biāo)志，而程序接收過程就提前結(jié)束，這樣就不能保證完整接收一幀數(shù)據(jù)包了。

　　增加長(zhǎng)度限制

　　在精簡(jiǎn)起止式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。

　　比如0x55 + 長(zhǎng)度 + 數(shù)據(jù)包 + 0xAA。

　　這樣一來(lái)，接收端判斷接收到了0x55的開頭標(biāo)志，緊接著再接收一個(gè)“長(zhǎng)度”的字節(jié)，基于這個(gè)長(zhǎng)度來(lái)繼續(xù)接收后續(xù)剩余的數(shù)據(jù)。

　　可見如果有了長(zhǎng)度的約束，那么最后都不需要0xAA作為結(jié)尾標(biāo)志了。

　　這樣的接口，即使有開頭、長(zhǎng)度、結(jié)尾，還存在風(fēng)險(xiǎn)。比如傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，物理線路受到未知干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)內(nèi)容出現(xiàn)了異常，那么接收端即使完整接收所有數(shù)量的數(shù)據(jù)下來(lái)，也是錯(cuò)誤的內(nèi)容。

　　增加校驗(yàn)檢查

　　解決在發(fā)送過程中出現(xiàn)的未知錯(cuò)誤問題，必然需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。再增加一字段來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)內(nèi)容的校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。

　　比如0x55 + 長(zhǎng)度 + 校驗(yàn)值 + 數(shù)據(jù)內(nèi)容 + 0xAA。

　　校驗(yàn)值是對(duì)數(shù)據(jù)包采用算法計(jì)算而得，接收方完整收下所有數(shù)量的數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)包采用同樣的算法計(jì)算出校驗(yàn)值，從而對(duì)比校驗(yàn)值來(lái)確定數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確性。

　　對(duì)于校驗(yàn)值的運(yùn)算，采用CRC-16運(yùn)算的方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，開銷小。

　　設(shè)計(jì)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

　　綜上所述，基于起止式的幀結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成：0x55 + 長(zhǎng)度 + CRC校驗(yàn) + 數(shù)據(jù)包。

　　在這里，幀頭標(biāo)志采用0x55一個(gè)字節(jié)。

　　0x55二進(jìn)制是01010101，這樣在UART物理線路上輸出的信號(hào)將會(huì)是占空比50%的方波，方波是最容易進(jìn)行測(cè)量和診斷的，在實(shí)際波形觀測(cè)時(shí)可以確定穩(wěn)定性、噪聲毛刺等。

　　要說(shuō)0xAA(二進(jìn)制10101010)也是可以，但是UART發(fā)送時(shí)候是有一個(gè)起始位0，并且是以LSB方式先發(fā)送bit0的最低位，0xAA的bit0已經(jīng)是0，而0x55的bit0是1，因此想得到方波當(dāng)然優(yōu)先考慮用0x55。

　　長(zhǎng)度采用一個(gè)字節(jié)表示，則后續(xù)的CRC校驗(yàn) + 數(shù)據(jù)包的總數(shù)量最多能放255個(gè)字節(jié)。

　　CRC校驗(yàn)采用CRC-16算法，占2個(gè)字節(jié)，此時(shí)后續(xù)的數(shù)據(jù)包最多能放253個(gè)字節(jié)。

　　終上所述，得出最終的起止式幀結(jié)構(gòu)：

　　接下來(lái)開始設(shè)計(jì)處理程序。

　　根據(jù)幀結(jié)構(gòu)，可以定義如下的結(jié)構(gòu)體：

　　typedef struct{

　　uint8_t head;

　　uint8_t len;

　　uint8_t crc16L;

　　uint8_t crc16H;

　　uint8_t packet[253];

　　}sst_frame_t;

　　其中要特別說(shuō)明的：

　　packet數(shù)據(jù)包最大長(zhǎng)度設(shè)為253，是因?yàn)閘en是uint8_t類型，len最大255，而CRC校驗(yàn)值占了2個(gè)字節(jié)，因此packet數(shù)據(jù)包最多可253個(gè)字節(jié)。

　　CRC校驗(yàn)值采用的是CRC-16標(biāo)準(zhǔn)，校驗(yàn)值是個(gè)uint16_t類型的數(shù)據(jù)，傳輸時(shí)采用的是LSB模式，因此將CRC校驗(yàn)值設(shè)為兩個(gè)uint8_t類型的數(shù)據(jù)，這樣做便于在源碼移植過程中，不同平臺(tái)的大小端差異能夠得到正確處理。

　　簡(jiǎn)述嵌入式設(shè)備內(nèi)存大小端差異在結(jié)構(gòu)體定義以及使用時(shí)存在的問題：

　　假如對(duì)幀結(jié)構(gòu)定義了如下的結(jié)構(gòu)體：

　　typedef struct{

　　uint8_t head;

　　uint8_t len;

　　uint16_t crc16;

　　uint8_t packet[253];

　　}sst_frame_t;

　　計(jì)算后得到某一次的校驗(yàn)值結(jié)果是 0xDC66，這是一個(gè)uint16_t類型的數(shù)據(jù)，如果直接使用這個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)處理數(shù)據(jù)發(fā)送，那么:

　　在LSB的小端模式平臺(tái)下，數(shù)據(jù)的發(fā)送順序是

　　head、len、0x66、0xDC、packet[0]、packet[1]、...

　　反之在MSB大端模式的平臺(tái)里，數(shù)據(jù)的發(fā)送順序是

　　head、len、0xDC、0x66、packet[0]、packet[1]、...

　　因此采用2個(gè)字節(jié)uint8_t數(shù)據(jù)類型代替uint16_t來(lái)定義結(jié)構(gòu)體中的CRC校驗(yàn)值，使得在跨平臺(tái)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)需做差異化處理。

　　構(gòu)建幀結(jié)構(gòu)

　　使用起止式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，把應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行組幀，這樣可構(gòu)造一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，便于在應(yīng)用層將完整的一幀數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層發(fā)出。

　　這里的構(gòu)造過程，事實(shí)上是對(duì)幀結(jié)構(gòu)的“填充”過程。

　　首先是計(jì)算數(shù)據(jù)包的CRC校驗(yàn)值，隨后就是“填充”的過程。

　　為了防止應(yīng)用層調(diào)用接口時(shí)，傳進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)包的地址、組幀結(jié)果的首地址指向同一個(gè)內(nèi)存地址，所以在組幀前需要將源數(shù)據(jù)內(nèi)容單獨(dú)緩存，再進(jìn)行“填充”的操作。

　　解析幀結(jié)構(gòu)

　　解析幀結(jié)構(gòu)其實(shí)就是對(duì)一長(zhǎng)串的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析處理，從而提取出數(shù)據(jù)包。

　　這里被解析的數(shù)據(jù)來(lái)源是一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)，對(duì)循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)的可讀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。因此需要使用循環(huán)緩沖區(qū)配合。

　　代碼截圖：