通用串口通讯程序设计

通用串口通讯程序设计

作者：和光同尘版本：V1.0

序

做硬件开发近20载，花了近十年做基础开发，对硬件开发略知一二，接触的做国防/工业大项目的人才我就是和他们沟通中获取了很多思想；人生已过而立之年，不惑解疑，总想写点什么。从一线研发（做了4年），开发（3年），硬件开发主管（12年），算起来人生从不到弱冠之年（中专毕业）开始接触MCS51、AVR等8位处理器到ARM v7核、CoretxM 核的32位处理器，CPLD/FPGA、PLC…………啰嗦了！！

最近因为工作原因需要把一些自己感悟的记录下来，希望传递给入门的有心沉下心做基础健壮扎实的初学者。

正文

做嵌入式硬件开发一般都会用到通讯数据交互，这就涉及通讯协议/规约的设计。本文从基础的串口（RS232、RS485等）为模型进行讲解。

说道串口通讯，就是编写串口程序，简单的就是1个字节的发送，1个字节的接收，但这不能满足绝大多数实际工作业务需求，实际需要一串字节数据的交互，A发送，B接收……Z 接收；Z机……B机收到根据情况需要回复（ACK）A机，这个过程就叫交互双向通讯（本文不讨论多主机、1主机相对复杂通讯机制。）。这种通讯就需要提前设计好通讯的规约（大家约定好暗号——每个字节代表什么意思）。

接下来编写通信程序（发送/接收），如何写出一个健壮高效串口程序？是否健壮高效其实很大一部分取决于通讯接收程序的架构。

通讯程序编写依据是——通讯规约，通讯帧的设计。

●I类通用型：

||帧头段|===|数据段|===|校验码|===|帧尾段||

●II类时隙通讯：

||开始时隙T（T1T2T3T4T5T6）|=|功能码|=|数据段|=|校验码|=|结束时隙T（T1T2T3）|注意：时隙只是纯粹的前后两帧数据的间隔时间，这期间坚决不能有数据产生。

1.1I类通用型

◆帧头段

帧头段用于鉴别一串字节流中1帧数据起始位置，这个帧头段必须具有足够的特殊标识（易分辨）。

什么样的特殊标识可作为帧头？

根据个人经验：

①具有监测通讯波特率功能特点：0B01010101（55H）、0B10101010（AAH）或0B00000000（00H）、0B11111111（FFH）；

②利用ASCII码如MODBUS ASCII规约以冒号‘：’（3AH）作为帧头。也可以采用ASCII ‘U’（55H）、‘@’（40H）等等

只要保证帧头字节数据内容，在所有通讯数据字节流中，除帧头有意为之而出现，那就是帧头。建议最好有两个字节及以上，这样数据出现与帧头一致的概率更加小，才做到独一无二的特殊性。

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1.2接收程序编写考虑因素

◆数据“功能码”指针

◆数据包指针

◆FIFO缓存读/写指针的互斥锁释放顺序

◆数据帧检查/校验

◆串口空闲

◆缓存数据帧存放时间/生命周期，超时识别

◆通讯数据吞吐量，（帧间隔时间，保证单片机有充分时间处理其他事情。）

帧头

只要保证帧头字节数据内容，在所有通讯数据字节流中，除帧头有意为之而出现，那就是帧头。建议最好有两个字节及以上，这样数据出现与帧头一致的概率更加小，才做到独一无二的特殊性。

怎么设计帧头？怎么保障唯一性性（尽量接近唯一，发生重复概率越小，唯一性越高，也就让接收数据识别性越高）。

数据域内的数据是很难满足（概率事件）不包含和帧头一样的数据不出现。

那么尽量避免除了帧头外其他部分也有这样的两个字节（简单通讯1BYTE帧头也可以）的帧头出现，那会出现什么问题？

两个字节帧头模式出现概率很低；

一个字节帧头模式出现概率很高。除非有对帧头特殊处理过程（补码替换（或取反模式），这又涉及到识别哪个或哪几个字节是用补码（或取反）替换的？这里不做特殊处理扩展。接着说普通简单做法——

第一步：找帧头

一般通讯数据帧都是一帧一帧发送，只要接收到前面的数据帧传输正确，即使下一帧的数据中有和帧头一样的数据（含帧头）也没有问题。

设置接收数据从开始就寻找接收到的第1个字节为帧头（if(data==SOF)判断（非单一时隙式通讯模式）。当获取到帧头后，设值准备接收进度计数器（寄存器内部值）第2个字节——功能码（或数据域长度）；若不是帧头，接收进度计数器（寄存器内部值）不改变，继续执行接收进度寄存器为“寻找帧头”。

特例1：

串口空闲中断：帧头、帧尾都可以不用。建议，帧头保留，帧尾可以不需要。当单片机没有串口空闲中断时考虑，也可能有其他考虑，所以帧头得保留。

功能码

功能码主要用于说明该数据帧的功能，也可作为函数指针的索引，一个索引值代表了一个具体功能，据此可找到对应的功能函数。

比如：

设计一个函数指针数组，通过功能码进行索引，进而跳转到对应的功能函数执行程序。

（状态机也就这个原理。状态机多了PUSH\POP栈流程。）

设计功能码，必须考虑兼容性和扩展性，对数据帧的功能进行划分，坚决杜绝想到一个算一个，功能码也不能随意/随便/随心的安排，否则在以后增加数据帧的时候会很麻烦。

功能码长度：1个字节（取值范围：0‐255）

一般256种功能分类够用；不够就扩展到两个字节。

编码规则（建议）：

高四位二进制作为父类编码，低四位二进制父类中子类。这样就可以将系统数据通信帧分为16个大类，每个大类下有16个可用的具体类，当你增加功能码的时候，就可以根据你的设计来确定属于哪个大类了，然后再插入进去。这样在管理、维护这些通信数据时你会发现很方便。

这个编码规范在ARM内核的中断系统和设计uCOS II任务优先级的时候都有使用到，在设计项目的通信协议的时候就是运用了这些思想。

数据域长度

数据域长度信息是非常关键的数据。（当然，也有特殊类型通讯协议/规约不需要.）数据域长度字段的值限定/定义数据域的字节个数信息。详见“表（1）、表（2）、表（3）”帧格式数据域长度与数据域关系划分。

案例之一：

接收程序流程刚好将帧头、功能码/判断完毕，然后中断程序莫名原因（非法指令）引起没有及时读取/释放串口BUF中数据，就会在获取数据时得到错误的数据，这个错误的长度数据可能导致创建的栈溢出，引发周边数据被篡改（注意所有字节变量定义区域选择，根据单片机RAM资源，合理分配变量所处位置，尽量局部变量定义在DATA、IDATA区域，程序执行效率也高些；数据栈定义在XDATA区域），数据栈溢出处理不好将是灾难性事件。在接收数据域的数据之前切记一定要判断数据域长度信息（空闲中断除外）是否合法，不合法的及时抛弃掉这帧数据，复位接收标识状态，准备新一帧的数据检查接入栈工作。

确保及时接收数据：

①采用DMA模式（单片机若有）；

②设定串口通讯为最高有效优先级中断；

③接收程序在读取BUF数据时进可能先读取到临时/中转寄存器中，再做数据识别。

数据域

整个帧需要的最有用的数据。

接收/发送函数能处理各种类型的数据，建议参数类型定义成void*DataPtr是不错的选择。 校验码

一帧数据在传输过程可能会被干扰，使得接收端获取的数据是错误的。为保证一帧数据的准确性和完整性，就引入了校验功能，好的校验可以逆向还原一帧数据中的错误数据。

（密钥不在这里讨论！）

校验有很多方式，累加和校验、CRC校验等。

（奇偶校验只针对1个字节校验，一般不做2字节以上数据帧校验）。

累加和校验算法简单，单片机的运算资源占用量小，累加最后只取最低字节就行，不是高字节（至于原因后续再单独聊）。保存累加和的变量使用1个字节，简单好用。

CRC校验，算法比较复杂。CAC是对帧数据中每个字节的每二进制位（BIT）进行校验，具有很高纠错率，只要数据帧中有一个数据的1个二进制位发生变化，都能检查出错误。

这种校验方式占用单片机的运算资源量较大，目前有些单片机嵌入了硬件CRC模块（如stm32单片机）。

校验是通讯规约约定检验字节起点和结束位置。

建议：从帧头开始到数据域最后一个字节。也可以只检验数据域，这只是区别在单片机运算量问题。建议从帧头开始校验，能保证整个帧数据的准确性。

帧尾

前面说了，帧尾在空闲中断中可以不用，RXNE中断接收时其实也可以不用，当然也可以加上，好处就是当你用串口助手查看数据流时，可以观察出一帧数据是否发送完整了。

1.3串口数据传输流程

通讯规约发送一帧数据可以7字节或N字节。以10字节3A010102520B E41A0D00举例。 发送端

将要发送一帧数据：3A010102520B E41A0D，再发1字节任意数据。

接收端

。其它字节都抛弃。

应该接收到的正确完整一帧数据：3A010102520B E41A0D

串口数据一帧数据传输流程:

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附录：ASCII码对照表