嵌入式硬件通信接口協(xié)議-UART(四)設(shè)計起止式的應(yīng)用層協(xié)議
串口實現(xiàn)了兩個終端設(shè)備之間進(jìn)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(guān)于數(shù)據(jù)的協(xié)議。
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在戰(zhàn)爭題材影視劇中經(jīng)常能夠看到這樣的對白,在通過對講機(jī)等相關(guān)無線設(shè)備呼叫隊友時,先呼叫對方名稱,然后告知自己身份,說完內(nèi)容最后再說over,表示一次呼叫結(jié)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(chǔ)》這一篇內(nèi)容的介紹。
事實上串口實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信過程中的傳輸層,而應(yīng)用層就系統(tǒng)功能的業(yè)務(wù)邏輯,應(yīng)用層控制需要收發(fā)的各種數(shù)據(jù)內(nèi)容。
數(shù)據(jù)解析的前提是通信雙方都是用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式,因此在這里將設(shè)計一個簡單的起止式的數(shù)據(jù)幀格式,保證設(shè)備之間進(jìn)行可靠的通信。
現(xiàn)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(lán)牙串口模塊。
AT指令的特點是易于人機(jī)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(jié)束。
HC-05藍(lán)牙模塊指令示例
但是項目工程中,數(shù)據(jù)在嵌入式設(shè)備是以HEX數(shù)據(jù)(16進(jìn)制)運算和處理,如果參考AT指令去設(shè)計幀結(jié)構(gòu),那么在收發(fā)處理時候,必然要將收到的純數(shù)據(jù)(16進(jìn)制)按照字符處理。
比如一個終端設(shè)備,其功能就是環(huán)境檢測,可能包含溫濕度、光照強(qiáng)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(jié)果24℃數(shù)據(jù),采集設(shè)備將數(shù)據(jù)24分成2個字節(jié)發(fā)送,因為ASCII字符’2’對應(yīng)的16進(jìn)制是0x32、ASCII字符’4’對應(yīng)的16進(jìn)制是0x34,這樣的一個溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)’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(jié)構(gòu)。
精簡起止式結(jié)構(gòu)
最簡單的幀,就是有開頭+結(jié)尾做起止標(biāo)志。
比如0x55 + 數(shù)據(jù)包 + 0xAA。
在一長串的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包緩沖器,直到接收了0xAA數(shù)據(jù),認(rèn)為完成一幀數(shù)據(jù)的接收。
這個方法確實相當(dāng)簡單,不用太多的處理,只需要判斷開頭和結(jié)尾即可。
而這樣存在很大的問題,如果傳輸?shù)膬?nèi)容也有0xAA這樣的數(shù)據(jù),這個0xAA并非結(jié)尾標(biāo)志,而程序接收過程就提前結(jié)束,這樣就不能保證完整接收一幀數(shù)據(jù)包了。
增加長度限制
在精簡起止式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,增加一數(shù)據(jù)來標(biāo)志數(shù)據(jù)包長度。
比如0x55 + 長度 + 數(shù)據(jù)包 + 0xAA。
這樣一來,接收端判斷接收到了0x55的開頭標(biāo)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(shù)據(jù)。
可見如果有了長度的約束,那么最后都不需要0xAA作為結(jié)尾標(biāo)志了。
這樣的接口,即使有開頭、長度、結(jié)尾,還存在風(fēng)險。比如傳輸數(shù)據(jù)時,物理線路受到未知干擾,導(dǎo)致數(shù)據(jù)內(nèi)容出現(xiàn)了異常,那么接收端即使完整接收所有數(shù)量的數(shù)據(jù)下來,也是錯誤的內(nèi)容。
增加校驗檢查
解決在發(fā)送過程中出現(xiàn)的未知錯誤問題,必然需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。再增加一字段來標(biāo)志數(shù)據(jù)內(nèi)容的校驗計算結(jié)果。
比如0x55 + 長度 + 校驗值 + 數(shù)據(jù)內(nèi)容 + 0xAA。
校驗值是對數(shù)據(jù)包采用算法計算而得,接收方完整收下所有數(shù)量的數(shù)據(jù),再對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確性。
對于校驗值的運算,采用CRC-16運算的方式,檢錯能力強(qiáng),開銷小。
設(shè)計協(xié)議幀結(jié)構(gòu)
綜上所述,基于起止式的幀結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成:0x55 + 長度 + CRC校驗 + 數(shù)據(jù)包。
在這里,幀頭標(biāo)志采用0x55一個字節(jié)。
0x55二進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jīng)是0,而0x55的bit0是1,因此想得到方波當(dāng)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(shù)據(jù)包的總數(shù)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(shù)據(jù)包最多能放253個字節(jié)。
終上所述,得出最終的起止式幀結(jié)構(gòu):
接下來開始設(shè)計處理程序。
根據(jù)幀結(jié)構(gòu),可以定義如下的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)包最大長度設(shè)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(shù)據(jù)包最多可253個字節(jié)。
CRC校驗值采用的是CRC-16標(biāo)準(zhǔn),校驗值是個uint16_t類型的數(shù)據(jù),傳輸時采用的是LSB模式,因此將CRC校驗值設(shè)為兩個uint8_t類型的數(shù)據(jù),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(shè)備內(nèi)存大小端差異在結(jié)構(gòu)體定義以及使用時存在的問題:
假如對幀結(jié)構(gòu)定義了如下的結(jié)構(gòu)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(jié)果是 0xDC66,這是一個uint16_t類型的數(shù)據(jù),如果直接使用這個結(jié)構(gòu)體來處理數(shù)據(jù)發(fā)送,那么:
在LSB的小端模式平臺下,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)類型代替uint16_t來定義結(jié)構(gòu)體中的CRC校驗值,使得在跨平臺收發(fā)數(shù)據(jù)時無需做差異化處理。
構(gòu)建幀結(jié)構(gòu)
使用起止式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時,把應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行組幀,這樣可構(gòu)造一個完整的數(shù)據(jù)幀,便于在應(yīng)用層將完整的一幀數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層發(fā)出。
這里的構(gòu)造過程,事實上是對幀結(jié)構(gòu)的“填充”過程。
首先是計算數(shù)據(jù)包的CRC校驗值,隨后就是“填充”的過程。
為了防止應(yīng)用層調(diào)用接口時,傳進(jìn)來的數(shù)據(jù)包的地址、組幀結(jié)果的首地址指向同一個內(nèi)存地址,所以在組幀前需要將源數(shù)據(jù)內(nèi)容單獨緩存,再進(jìn)行“填充”的操作。
解析幀結(jié)構(gòu)
解析幀結(jié)構(gòu)其實就是對一長串的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析處理,從而提取出數(shù)據(jù)包。
這里被解析的數(shù)據(jù)來源是一個循環(huán)緩沖區(qū),對循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)的可讀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。因此需要使用循環(huán)緩沖區(qū)配合。
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