江协科技STM32学习- P28 USART串口数据包

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引用：

STM32入门教程-2023版 细致讲解 中文字幕_哔哩哔哩_bilibili

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正文：

0. 概述

从 2024/06/12 定下计划开始学习下江协科技STM32课程，接下来将会按照哔站上江协科技STM32的教学视频来学习入门STM32 开发，本文是视频教程 P2 STM32简介一讲的笔记。

本节学习一下串口数据包收发的思路和流程

接下来就来学习一下如何去规定一个合理的数据包格式，以及如何收发数据包。

数据包格式一般有两种：一种是Hex数据包，一种是文本数据包。

先看一下Hex数据包格式。

1.🚢Hex数据包

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。

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xyzxyzxyz连续发送的时候，就会出现一个问题，就是接收方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，把这个数据进行分割，把xyzxyzxyzxyz这一批数据分割开，分成xyz，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。

有关分割打包的方法可以是自己发挥想象力来设计，只要逻辑行得通就行。比如可以设计在这个xyzxyzxyzxyz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1，其余数据包最高位都置0。这样当接收到数据之后，判断一下最高位，如果是1，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。

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，比如UTF8的编码方法和这就是类似的。

但是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。因为这种方式破坏了原有数据，使用起来比较复杂。

我们串口数据包通常使用的是额外添加包头包尾这种方式。比如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

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。

数据包格式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。

我们这里规定是，比如固定包长，一批数据规定有四个字节，在这四个字节之前加个包头，比如定义0xFF为包头。在四个字节之后加一个包尾，比如定义0xFE为包尾。当接收到0xFF之后就知道一个数据包来了，接着再接收到的四个字节就当做数据包的第一，二、三、四个数据存在一个数组里，最后跟一个包尾。当收到0xFE之后就可以置一个标志位，告诉程序收到了一个数据包。然后新的数据包过来再重复之前的过程。

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来。这就是通过添加包头包尾，实现数据分割打包的思路。

接着我们来研究几个问题。

收发过程中的问题

🐟️🐟️第一个问题就是包头包

这里定义FF为包头FE为包尾，那如果传输的数据本身就是FF和FE怎么办?

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。对应这个问题，我们有如下几种解决方法：

尾和数据载荷重复的问题

第一种方法，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，我们可以在载荷中只发送0~100的数据，这样就不会和包头报尾重复了。

第二种方法，如果无法避免载荷数据和包头包尾重复，就尽量使用固定长度的数据包

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。在接收载荷数据的时候，我们并不会判断它是否是包头包尾。而在接收包头包尾的时候，我们会判断它是不是确实是包头包尾，用于数据对齐。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。

第三种方法，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，这样也可以避免再和数据和包头包尾重复的情况发生。

🐟️🐟️第二个问题是这个包头包尾并不是全部都需要的

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。当检测到FF开始接收，收够四个字节后置标志位，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，载荷全是FF，包头也是FF，那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。

🐟️🐟️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，如果载荷会出现和包头包尾重复的情况，就最好选择固定包长，这样可以避免接收错误。如果你又会重复又选择可变包长，数据很容易就乱套了。

如果载荷不会和包头包尾重复，可以选择可变包长数据长度，像这样四位、三位、一位、十位、来回任一变，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。

这就是固定包长和可变包长选择的问题。

🐟️🐟️第四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，如果想发送十六位的整形数据，三十二位的整形数据，float double，甚至是结构体，其实都没问题。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uint8_t的指针指向它，把它们当做一个字节数组发送就行了。

接下来看一下文本数据包。
 

2.🚢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。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。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。

同样文本数据包也可以有两种模式：

第一种是固定包长，含包头包尾

第二种是可变包长，含包头包尾

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尾，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’\r’’\n’，也就是换行这两个字符作为包尾。

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。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、各种字母、符号、数字都可以随意使用。

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，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。所以这个文本数据包通常会以换行作为包尾。这样在打印的时候就可以一行一行的显示了非常方便。

3.🚢Hex数据包和文本数据包的优缺点

Hex数据包和文本数据包这两种对比下来其实也各有优缺点。

hex数据包

优点是传输最直接解析数据非常简单，比较适合一些模块发送原始的数据。比如一些使用串口通信的陀螺仪，温湿度传感器，

缺点就是灵活性不足，载荷容易和包头包尾重复。

文本数据包

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。

缺点就是解析效率低，比如发送一个数100，hex数据包,就是一个字节100完事儿，文本数据包就得是三个字节的字符，’1’’0’’0’，收到之后，还要把字符转换成数据才能得到一百。

所以说我们需要根据实际场景来选择和设计数据包格式。

接下来我们就来学一下数据包的收发流程。

4.🚢数据包的收发流程

首先是数据包的发送，这个比较简单。

发送数据包

如果想发送一个数据包，就定义一个数组填充数据，然后用上节我们写过的SendArray函数一发就完事了，文本数据包这里也很简单，写一个字符串，然后调用SendString一发送也完事了。

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串口发送比接收简单多了。

接下来接收一个数据包就比较复杂了。

接收数据包

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。下节写程序就会根据这里面的流程来。

HEX数据包接收

我们先看一下如何来接收这个固定包长的hex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步中断。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。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收一个数据包，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。

对于上面这样一个固定包长hex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，只不过标志位只有零和一，而状态机是多标志位状态的一种方式。

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，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。

之后出现了FF，我们就可以转移到接收数据的状态了。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纳多少个数据，如果没收够四个数据，就一直是接收状态。如果收够了，就置s等于2，下次进入中断时就可以进入下一个状态了。

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，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，这个包尾位置就有可能不是FE，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。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，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，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。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。还有一些芯片内部逻辑也会用到状态机，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。希望大家可以研究一下，对你的编程肯定会有帮助。

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。

文本数据包接收

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@符号，如果是就进入接收状态，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。这个状态的逻辑就应该是收到一个数据判断是不是’\r’，如果不是则正常接收，如果是则不接受，同时跳到下一个状态，等待包尾’\n’，因为这里数据包有两个包尾’\r’’\n’，所以需要第三个状态。如果只有一个包尾，在出现包尾之后，就可以直接回到初始状态了，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。

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。这就是使用状态机接收文本数据包的方法。

下节我们就写程序验证一下以上所学的内容。