嵌入式硬件通信接口協(xié)議-UART（四）設計起止式的應用層協(xié)議

　　串口實現了兩個終端設備之間進行可靠的通信，串口在這中間完成了傳輸層的作用。本次要講的是關于數據的協(xié)議。

　　類似場景

　　洞幺!洞幺!我是洞拐!收到請回答!收到請回答!over!

　　在戰(zhàn)爭題材影視劇中經常能夠看到這樣的對白，在通過對講機等相關無線設備呼叫隊友時，先呼叫對方名稱，然后告知自己身份，說完內容最后再說over，表示一次呼叫結束。

　　是的，沒錯，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》這一篇內容的介紹。

　　事實上串口實現了數據通信過程中的傳輸層，而應用層就系統(tǒng)功能的業(yè)務邏輯，應用層控制需要收發(fā)的各種數據內容。

　　數據解析的前提是通信雙方都是用統(tǒng)一的數據幀格式，因此在這里將設計一個簡單的起止式的數據幀格式，保證設備之間進行可靠的通信。

　　現在的很多無線模塊，為了使用簡單和易于集成，模塊對外使用UART接口，并采用AT指令來完成配置和使用，常見的有ESP8266的WiFi模塊、HC-05藍牙串口模塊。

　　AT指令的特點是易于人機交互，使用者對其發(fā)AT指令時，都是用ASCII字符發(fā)送，對于模塊的處理，也是以字符來處理。這樣的AT指令，它的起止式特點是以“AT”兩個字符開頭，并以回車換行“”字符結束。

　　HC-05藍牙模塊指令示例

　　但是項目工程中，數據在嵌入式設備是以HEX數據(16進制)運算和處理，如果參考AT指令去設計幀結構，那么在收發(fā)處理時候，必然要將收到的純數據(16進制)按照字符處理。

　　比如一個終端設備，其功能就是環(huán)境檢測，可能包含溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、PM2.5濃度等等，如果要發(fā)出一個溫度采集結果24℃數據，采集設備將數據24分成2個字節(jié)發(fā)送，因為ASCII字符’2’對應的16進制是0x32、ASCII字符’4’對應的16進制是0x34，這樣的一個溫度數據就需要2個字節(jié)來發(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據’24’，這個過程就是采用字符處理的麻煩之一。

　　因此不考慮使用ASCII字符來組幀結構。

　　精簡起止式結構

　　最簡單的幀，就是有開頭+結尾做起止標志。

　　比如0x55 + 數據包 + 0xAA。

　　在一長串的數據流中，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據包緩沖器，直到接收了0xAA數據，認為完成一幀數據的接收。

　　這個方法確實相當簡單，不用太多的處理，只需要判斷開頭和結尾即可。

　　而這樣存在很大的問題，如果傳輸的內容也有0xAA這樣的數據，這個0xAA并非結尾標志，而程序接收過程就提前結束，這樣就不能保證完整接收一幀數據包了。

　　增加長度限制

　　在精簡起止式結構基礎上，增加一數據來標志數據包長度。

　　比如0x55 + 長度 + 數據包 + 0xAA。

　　這樣一來，接收端判斷接收到了0x55的開頭標志，緊接著再接收一個“長度”的字節(jié)，基于這個長度來繼續(xù)接收后續(xù)剩余的數據。

　　可見如果有了長度的約束，那么最后都不需要0xAA作為結尾標志了。

　　這樣的接口，即使有開頭、長度、結尾，還存在風險。比如傳輸數據時，物理線路受到未知干擾，導致數據內容出現了異常，那么接收端即使完整接收所有數量的數據下來，也是錯誤的內容。

　　增加校驗檢查

　　解決在發(fā)送過程中出現的未知錯誤問題，必然需要對數據進行校驗。再增加一字段來標志數據內容的校驗計算結果。

　　比如0x55 + 長度 + 校驗值 + 數據內容 + 0xAA。

　　校驗值是對數據包采用算法計算而得，接收方完整收下所有數量的數據，再對數據包采用同樣的算法計算出校驗值，從而對比校驗值來確定數據包的準確性。

　　對于校驗值的運算，采用CRC-16運算的方式，檢錯能力強，開銷小。

　　設計協(xié)議幀結構

　　綜上所述，基于起止式的幀結構可以設計成：0x55 + 長度 + CRC校驗 + 數據包。

　　在這里，幀頭標志采用0x55一個字節(jié)。

　　0x55二進制是01010101，這樣在UART物理線路上輸出的信號將會是占空比50%的方波，方波是最容易進行測量和診斷的，在實際波形觀測時可以確定穩(wěn)定性、噪聲毛刺等。

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

　　長度采用一個字節(jié)表示，則后續(xù)的CRC校驗 + 數據包的總數量最多能放255個字節(jié)。

　　CRC校驗采用CRC-16算法，占2個字節(jié)，此時后續(xù)的數據包最多能放253個字節(jié)。

　　終上所述，得出最終的起止式幀結構：

　　接下來開始設計處理程序。

　　根據幀結構，可以定義如下的結構體：

　　typedef struct{

　　uint8_t head;

　　uint8_t len;

　　uint8_t crc16L;

　　uint8_t crc16H;

　　uint8_t packet[253];

　　}sst_frame_t;

　　其中要特別說明的：

　　packet數據包最大長度設為253，是因為len是uint8_t類型，len最大255，而CRC校驗值占了2個字節(jié)，因此packet數據包最多可253個字節(jié)。

　　CRC校驗值采用的是CRC-16標準，校驗值是個uint16_t類型的數據，傳輸時采用的是LSB模式，因此將CRC校驗值設為兩個uint8_t類型的數據，這樣做便于在源碼移植過程中，不同平臺的大小端差異能夠得到正確處理。

　　簡述嵌入式設備內存大小端差異在結構體定義以及使用時存在的問題：

　　假如對幀結構定義了如下的結構體：

　　typedef struct{

　　uint8_t head;

　　uint8_t len;

　　uint16_t crc16;

　　uint8_t packet[253];

　　}sst_frame_t;

　　計算后得到某一次的校驗值結果是 0xDC66，這是一個uint16_t類型的數據，如果直接使用這個結構體來處理數據發(fā)送，那么:

　　在LSB的小端模式平臺下，數據的發(fā)送順序是

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

　　反之在MSB大端模式的平臺里，數據的發(fā)送順序是

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

　　因此采用2個字節(jié)uint8_t數據類型代替uint16_t來定義結構體中的CRC校驗值，使得在跨平臺收發(fā)數據時無需做差異化處理。

　　構建幀結構

　　使用起止式進行數據傳輸時，把應用層的數據包進行組幀，這樣可構造一個完整的數據幀，便于在應用層將完整的一幀數據傳遞給傳輸層發(fā)出。

　　這里的構造過程，事實上是對幀結構的“填充”過程。

　　首先是計算數據包的CRC校驗值，隨后就是“填充”的過程。

　　為了防止應用層調用接口時，傳進來的數據包的地址、組幀結果的首地址指向同一個內存地址，所以在組幀前需要將源數據內容單獨緩存，再進行“填充”的操作。

　　解析幀結構

　　解析幀結構其實就是對一長串的數據流進行解析處理，從而提取出數據包。

　　這里被解析的數據來源是一個循環(huán)緩沖區(qū)，對循環(huán)緩沖區(qū)內的可讀數據進行解析。因此需要使用循環(huán)緩沖區(qū)配合。

　　代碼截圖：