串口通信中的数据帧构建与解析详解

串口通信中的数据帧构建与解析详解

串口通信中，数据帧是数据传输的基本单元。
串口通信是一种异步通信方式，收发双方约定好通信速率，通过两根数据线即可实现简单的时序全双工数据收发，最常用的串口通信协议由1位起始位、8位数据位和1位停止位组成，总共10位，为了提高通信可靠性，也可在停止位前增加1位奇偶校验位，但这会增加开销，每字节数据需要多传1位二进制数。
在实际使用中，往往需要传输多个字节组成的数据包，而因为串口通信中字节之间相互独立，在接收数据时面临数据包对齐和防止出错的两大问题，为了解决这两个问题，发送端通过将数据按指定格式打包，接收端使用状态机解析数据，实现串口通信可靠传输。

发送端实现过程

1. 数据帧格式

帧头：用于标识数据帧的开始位置，通常选择两个字节，例如0xA5, 0x5A，因为它们对应的二进制位0与1的个数相同，分布均匀不易出错。

帧长：描述数据帧实际长度的字节，这里只使用1个字节，故帧长字节最大为255，为提高利用率，规定帧长字节描述的是数据字节的长度。

命令字节：指定数据字节的功能，例如命令字节为1表示传输温度，为2表示传输湿度等。

数据字节：数据字节长度可变，帧长字节为0表示没有数据，帧长字节为255表示有255字节数据。

校验字节：采用CRC16循环冗余校验方式，将校验字节前的所有字加入计算，得到两字节CRC16校验码。

帧尾：标识数据帧的结束，通常使用一个字节，例如0xFF。

2. 实现代码

void Send(const uint8_t *data, uint8_t len) {
 uint8_t i;
 for (i = 0; i < len; i++) {
 SendByte(data[i]); //发送一个字节
 }
}
uint16_t CRC16_Check(const uint8_t *data, uint8_t len) {
 uint16_t CRC16 = 0xFFFF;
 uint8_t state, i, j;
 for (i = 0; i < len; i++) {
 CRC16 ^= data[i];
 for (j = 0; j < 8; j++) {
 state = CRC16 & 0x01;
 CRC16 >>= 1;
 if (state) {
 CRC16 ^= 0xA001;
 }
 }
 }
 return CRC16;
}
void Send_Cmd_Data(uint8_t cmd, const uint8_t *datas, uint8_t len) {
 uint8_t buf[300], i, cnt = 0;
 uint16_t crc16;
 buf[cnt++] = 0x55;
 buf[cnt++] = 0xAA;
 buf[cnt++] = len;
 buf[cnt++] = cmd;
 for (i = 0; i < len; i++) {
 buf[cnt++] = datas[i];
 }
 crc16 = CRC16_Check(buf, len + 4);
 buf[cnt++] = crc16 & 0xff;
 buf[cnt++] = crc16 >> 8;
 buf[cnt++] = 0xFF;
 Send(buf, cnt); //调用数据帧发送函数将打包好的数据帧发送出去
}

接收端实现过程

1. 状态机解析数据

接收端采用状态机解析数据，根据不同的状态切换条件来处理接收到的数据。

状态0：等待接收帧头第1字节0xA5。

状态1：等待接收帧头第2字节0x5A。

状态2：等待接收数据长度字节。

状态3：等待接收命令字节。

状态4：等待接收数据字节。

状态5：等待接收校验字节高8位。

状态6：等待接收校验字节低8位。

状态7：等待接收帧尾字节0xFF。

2. 状态转换关系图

当前状态 下一个状态 条件 操作

状态0 状态1 接收到0xA5 无

状态1 状态2 接收到0x5A 无

状态2 状态3 接收到长度字节 无

状态3 状态4 接收到命令字节且长度字节>0 无

状态4 状态5 接收到n字节数据 无

状态5 状态6 接收到命令字节且长度字节为0 无

状态6 状态7 接收到校验字节高8位 无

状态7 状态1 接收到校验字节低8位 校验正确，接收数据帧成功

状态7 状态0 接收到帧尾字节0xFF 校验错误但本次接收为0xA5

状态7 状态1 接收到非0xA5 校验错误且本次接收为非0xA5

3. 实现代码

void Data_Analysis(uint8_t cmd, const uint8_t *datas, uint8_t len) {
 //定义数据处理函数用来处理解析成功的数据
}
void UartInit() {
 PCON &= 0x7F; //波特率不倍速
 SCON = 0x50; //8位数据,可变波特率
 TMOD &= 0x0F; //设置定时器模式
 TMOD |= 0x20; //设置定时器模式
 TL1 = 0xFD; //设置定时初始值
 TH1 = 0xFD; //设置定时重载值
 ET1 = 0; //禁止定时器中断
 ES = 1; //串口中断打开
 TR1 = 1; //定时器1开始计时
}
void ES_timers() interrupt 4 { //接收中断
 if (RI) {
 RI = 0;
 start_timer = 1; //开定时器标志位置1
 if (recv_cnt < MAX_REX_NUM) { //在规定字符长度范围内接收数据
 recv_buf[recv_cnt] = SBUF; //接收数据
 recv_cnt++;
 } else {
 recv_cnt = MAX_REX_NUM;
 }
 recv_timer_cnt = 0; //每接收一帧数据就计数清0
 }
}
void T0_timer() interrupt 1 { //利用1ms计数，判断是否接收完成
 TR0 = 0;
 if (start_timer == 1) { //软件定时器打开
 recv_timer_cnt++; //计数
 if (recv_timer_cnt > 5) { //如果计数超过5ms，则接收完成
 recv_timer_cnt = 0;
 start_timer = 0; //关闭软件定时器标志位
 if (recv_cnt >= 9 && recv_buf[0] == 0x55 && recv_buf[1] == 0xAA) { //判断帧头是否正确
 if (recv_buf[recv_cnt 3] == CRC16_Check(recv_buf, recv_cnt 4)) { //校验正确
 Data_Analysis(recv_buf[2], &recv_buf[3], recv_buf[2]); //调用数据处理函数处理解析成功的数据
 } else { //校验错误
 recv_cnt = 0; //重新接收数据帧
 }
 } else { //帧头或校验错误
 recv_cnt = 0; //重新接收数据帧
 }
 }
 }
}