我们在学习单片机时，最初接触的可能是GPIO（通用输入输出），其次便是串口通信（UART）。

串口通信作为一种常用的通信接口，也是学习嵌入式系统时必不可少的一项知识。然而，我发现许多同学只知道如何利用串口输出或打印一些数据，而对于如何通过串口进行数据传输和通信却知之甚少。

在这里，我想与大家分享一下串口通信协议、自定义通信协议以及其实现原理。

通信协议究竟是什么？

通信协议的概念并不难理解，它指的是两个或多个设备之间进行通信时必须遵循的一系列规则和约定。

根据百度百科的解释：

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。

因此，无论是什么类型的通信，都需要遵循相应的通信协议以确保信息能够正确传输。

相信许多读者都曾购买过一些基于串口通信的模块。市面上存在许多基于串口通信的模块都采用了自定义通信协议，有些协议较为简单，而有些则相对复杂一些。

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。

![图片](data:image/svg+xml,%3C%3Fxml version=’1.0′ encoding=’UTF-8’%3F%3E%3Csvg width=’1px’ height=’1px’ viewBox=’0 0 1 1′ version=’1.1′ xmlns=’http://www.w3.org/2000/svg’ xmlns:xlink=’http://www.w3.org/1999/xlink’%3E%3Ctitle%3E%3C/title%3E%3Cg stroke=’none’ stroke-width=’1′ fill=’none’ fill-rule=’evenodd’ fill-opacity=’0’%3E%3Cg transform=’translate(-249.000000, -126.000000)’ fill=’%23FFFFFF’%3E%3Crect x=’249′ y=’126′ width=’1′ height=’1’%3E%3C/rect%3E%3C/g%3E%3C/g%3E%3C/svg%3E)

（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 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。

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作者: 良许

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