USART串口数据包那先看一下HEX数据包格式。首先数据包的作用是把一个个单独的数据给打包起来方便我们进行多字节的数据通信啊。我们之前学习了串口的代码发送一个字节接收一个字节都没问题。但在实际应用中我们可能需要把多个字节打包为一个整体进行发送。比如说我们有个陀螺仪传感器需要用串口发送数据到 STM32。陀螺仪的数据比如 X 轴一个字节 Y 轴一个字节 Z 轴一个字节总共三个数据需要连续不断的发送。当你像这样 XYZ XYZ XYZ 连续发送的时候就会出现一个问题就是接收方他不知道这数据哪个对应 X 哪个对应 Y 哪个对应 Z。因为接收方可能会从任意位置开始接收所以会出现数据错位的现象。这时候我们就需要研究一种方式 4把这个数据进行分割把 XYZ 这一批数据分割开分成一个个数据包这样再接收的时候就知道了数据包的第一个数据就是 X 第二个是 Y 第三个是 Z。 这就是数据包的任务就是把属于同一批的数据进行打包和分割方便接收方进行识别。那有关分割打包的方法可以是自己发挥想象力来设计哈只要逻辑行得通就行。比如我可以设计在这个 XYZXYZ 数据流中数据包的第一个数据也就是 X 的数据包它的最高位置一其余数据包最高位都置零。当我接收到数据之后判断一下最高位如果是一那就是 X 数据然后紧跟着的两个数据就分别是 Y 和 Z。 这就是一种可行的分割方法啊这种方法就是把每个数据的最高位当做标志位来进行分割的。实际也有应用的例子啊比如 UTF 8 的编码方法和这就是类似的啊不过它那个编码更高级一些啊感兴趣的话可以了解一下。那本节我们主要讲的数据包分割方法并不是在数据的高位添加标志位这种方式啊因为这种方式破坏了原有数据使用起来比较复杂。我们串数据包通常使用的是额外添加包头包尾这种方式。比如我这里就列举了两种数据包格式。第一种是固定包长含包头包尾。也就是每个数据包的长度都固定不变。数据包前面是包头后面是包尾。第二种是可变包长含包头包尾。也就是每个数据包的长度可以是不一样的前面是包头后面是包尾。它们的数据包格式啊可以是用户根据需求自己规定的也可以是你买个模块别的开发者规定的。那我这里规定是比如固定包长这里我一批数据规定有四个字节在这四个字节之前加个包头比如我定义 0xFF 为包头。在四个字节之后加一个包尾比如我定义 0xFE 为包尾。那当我接收到 0xFF 之后我就知道了一个数据包来了。接着我再接收到的四个字节就当做数据包的第一二三四个数据存在个数组里最后跟一个包尾。当我收到 0xFE 之后就可以自己一个标志位告诉程序我收到了一个数据包。然后新的数据包过来再重复之前过程这样就可以在一个连续不断的数据流中分割出我们想要的数据包了。这就是通过添加包头包尾实现数据分割打包的思路啊。接着我们来研究几个问题啊第一个问题就是包头包尾和数据载荷重复的问题。这里定义 FF 为包头 FE 为包尾。如果我传输的数据本身就是 FF 和 FE 怎么办呢那这个问题确实存在如果数据和包头包尾重复可能会引起误判啊。对应这个问题我们有如下几种解决方法第一种限制载荷数据的范围。如果可以的话我们可以在发送的时候对数据进行限幅。比如 XYZ 三个数据变化范围都可以是 0~100那就好办了我们可以在载荷中只发送 0~100 的数据这样就不会和包头包尾重复了。第二种如果无法避免载荷数据和包头包尾重复那我们就尽量使用固定长度的数据包哈这样由于载荷数据是固定的只要我们通过包头包尾对齐了数据我们就可以严格知道哪个数据应该是包头包尾哪个数据应该是载荷数据在接受载荷数据的时候我们并不会判断它是否是包头包尾而在接受包头包尾的时候我们会判断它是不是确实是包头包尾用于数据对齐哈。这样在经过几个数据包的对齐之后剩下的数据包应该就不会出现问题了。第三种就是增加包头包尾的数量并且让它尽量呈现出载荷数据出现不了的状态。比如我们使用 FF FE 作为包头 FD FC 作为包尾这样也可以避免载荷数据和包头包尾重复的情况发生哈。接着第二问题是这个包头包尾并不是全部都需要的哈。比如我们可以只要一个包头把包尾删掉。这样数据包的格式就是一个包头 FF 加四个数据这样也是可以的哈。当检测到 FF 开始接收收够四个字节后字标多位一个数据包接收完成。这样也可以不过这样的话载荷和包头重复的问题会更严重一些。比如最严重的情况下我载荷全是 FF包头也是 FF那你肯定不知道哪个是包头了。而加上 FE 作为包尾无论数据怎么变化都是可以分辨出包头包尾的哈。之后第三个问题就是固定包长和可变包长的选择问题。对应 hex 数据包来说如果你的载荷会出现和包头包尾重复的情况那就最好选择固定包长哈这样可以避免接受错误。如果你又会重复又选择可变包长那数据很容易就乱套了哈。如果载荷不会和包头包尾重复那可以选择可变包长。数据长度像这样四位啊三位啊等等一位十位来回任意变肯定都没问题。因为包头包尾是唯一的只要出现包头就开始数据包只要出现包尾就结束数据包这样就非常灵活了哈。这就是固定包长和可变包长选择的问题。最后一个问题就是各种数据转换为字节流的问题。这里数据包都是一个字节一个字节组成的哈。如果你想发送 16 位的整形数据32 位的整形数据 floatdouble甚至是结构体其实都没问题啊因为它们内部其实都是由一个字节一个字节组成的。只需要用一个 unit 8 杠 t的指针指向它把它们当做一个字节数组发送就行了。这个操作方法我在指针教程里也讲过哈不会的话可以去看一下。有关 hex 数据包定义的内容我就讲这么多啊。接下来看一下文本数据包。文本数据包和 hex 数据包就分别对应了文本模式和 hex 这两种模式啊。在 hex 数据包里面数据都是以原始的字节数据本身呈现的。而在文本数据包里面每个字节就经过了一层编码和译码最终表现出来的就是文本格式啊。但实际上每个文本字符背后其实都还是一个字节的 hex 数据对吧。那么看一下这里我同样给出了固定包长和可变包长这两种模式。由于数据译码成了字符形式这就会存在大量的字符可以作为包头包围它。可以有效避免载荷和包头包尾重复的问题。比如我这里规定的就是以这个字符作为包头以反斜杠 r 反斜杠 n 也就是换行啊这两个字符作为包围。在载荷数据中间可以出现除了包头包尾的任意字符这很容易做到哈。所以文本数据包基本不用担心载荷和包头包尾重复的问题使用非常灵活。可变包长啊各种字母啊符号数字都可以随意使用哈。当我们接收到载荷数据之后得到的就是一个字符串在软件中再对字符串进行操作和判断就可以实现各种指令控制的功能了。而且字符串数据包表达的意义很明显啊可以把字符串数据包直接打印到串口助手上什么指令什么数据一眼就能看明白啊。所以这个文本数据包通常会以换行作为包围这样在打印的时候就可以一行一行的显示了非常方便。那 hex 数据包和文本数据包这两种对比下来其实也是各有优缺点啊。hex 数据包优点是传输最直接解析数据非常简单比较适合一些模块啊发送原始的数据比如一些使用串口通信的陀螺仪啊温湿度传感器啊。缺点就是灵活性不足啊载荷容易和包头包尾重复。文本数据包呢优点是数据直观易理解非常灵活比较适合一些输入指令进行人机交互的场合。比如蓝牙模块常用的 AT 指令 CNC 和 3D 打印机常用的 G 代码都是文本数据包的格式。那缺点就是解析效率低比如你发送的数 100 HEX 数据包就是一个字节 100 完事。文本数据包就得是三个字节的字符 100 收到之后还要把字符转换成数据才能得到 100。所以说我们需要根据实际场景来选择和设计数据包格式哈。好数据包格式的定义讲完了接下来我们就来学一下数据包的收发流程。首首先是数据包的发送其实数据包的发送非常简单哈不用说大家应该也都能想到。在 hex 数据包这里我如果想发送这样一个数据包就定义一个数组填充数据然后用上小节我们写过的 send array 一发就完事了对吧文本数据包这里也很简单写一个字符串然后调用 send string 一发送也完事了对吧所以说发送这个数据包是很简单的因为发送过程是完全自主可控的想发啥就发啥。我们写代码的时候也能感受到哈串组发送比接收简单多了。那接下来接收一个数据包这就比较复杂了我们来学习一下。我这里演示了固定包长 HEX 数据包的接收方法和可变包长文本数据包的接收方法。其他的数据包也都可以套用这个形式。等会我们写程序就会根据这里面的流程来。我们先看一下如何来接收这个固定包长的 Hive 数据包。首先根据之前的代码我们知道每收到一个字节程序都会进一遍中断。在中断函数里我们可以拿到这一个字节。但拿到之后我们就得退出中断了所以每拿到一个数据都是一个独立的过程。而对于数据包来说很明显它具有前后关联性包头之后是数据数据之后是包尾。对于包头数据和包尾这三种状态我们都需要有不同的处理逻辑所以在程序中我们需要设计一个能记住不同状态的机制。在不同状态执行不同的操作同时还要进行状态的合理转移哈。这种程序设计思维就叫做状态机。在这里我们就使用状态机的方法来接受一个数据包。要想设计一个好的状态机程序画一个这样的状态转移图是必要的哈。我们看一下。对于上面这样一个固定包长 Hive 数据包来说我们可以定义三个状态。第一个状态是等待包头第二个状态是接收数据第三个状态是等待包尾。每个状态需要用一个变量来标志一下比如我这里用变量 s 来标志。三个状态依次为 S 等于 0 S 等于 1 S 等于 2。这一点类似于置标志位哈只不过标志位只有 0 和 1而状态机是多标志位状态的一种方式哈。然后执行流程是最开始 S 等于 0收到一个数据进中断根据 S 等于 0 进入第一个状态的程序判断数据是不是包头 FF 如果是 FF 则代表收到包头之后置 S 等于 1退出中断结束。这样下次再进中断根据 S 等于 1 就可以进行接收数据的程序了。在第一个状态如果收到的不是 FF 就证明数据包没有对齐哈我们应该等待数据包包头的出现。这时状态就仍然是 0下次进中断就还是判断包头的逻辑直到出现 FF 才能转到下一个状态。那之后出现了 FF 我们就可以转移到接收数据的状态。这时再收到数据我们就直接把它存在数组中。另外再用一个变量记录收了多少个数据如果没收够 4 个数据就一直是接收状态如果收够了就置 S 等于 2。下次进入段时就可以进入下一个状态了。那最后一个状态就是等待包尾了。判断数据是不是 FE 正常情况应该是 FE 啊这样就可以置 S 等于 0回到最初的状态开始下一个轮回。当然也有可能这个数据不是 FE 比如数据和包头重复导致包头位置判断错了那这个包尾位置就有可能不是 F1。这时就可以进入重复等待包尾的状态直到接收到真正的包尾。这样加入包尾的判断更能预防因数据和包头重复造成的错误哈。这就是使用状态机接收数据包的思路。这个状态机其实是一种很广泛的编程思路哈在很多地方都可以用到。使用的基本步骤是先根据项目要求定义状态画几个圈哈。然后考虑好各个状态在什么情况下会进行转移如何转移画好线和转移条件最后根据这个图来进行编程这样思维就会非常清晰了哈。比如你要做个菜单就可以用到状态机的思维按什么键切换什么菜单执行什么样的程序。还一些芯片内部逻辑哈也会用到状态机比如芯片什么情况下进入待机状态什么情况下进入工作状态这也是状态机的应用哈希望大家可以研究一下对你的编程肯定会有帮助。那接下来继续我们来看一下这个可变包长文本数据包的接收流程同样也是利用状态机定义三个状态。第一个状态等待包头判断收到的是不是我们规定的艾特符号。如果收到艾特就进入接收状态。在这个状态下依次接收数据。同时这个状态还应该要兼具等待包尾的功能。因为这是可变包长我们接收数据的时候也要时刻监视是不是收到包尾了一旦收到包尾了就结束。那这里这个状态的逻辑就应该是收到一个数据判断是不是杠 r如果不是则正常接收如果是则不接收同时跳到下一个状态等待包尾杠 n因为这里数据包有两个包尾杠 r 杠 n 所以需要第三个状态。如果只有一个包尾那在出现包尾之后就可以直接回到初始状态了啊只需要两个状态就行因为接收数据和等待包尾需要在一个状态里同时进行啊。由于串口的包头包尾不会出现在数据中所以基本不会出现数据错位的现象啊。这就是使用状态机接收文本数据包的方法。