如何实现自定义串口通信协议？

有一些初学者总觉得通信协议是一个很复杂的知识，把它想的很高深，导致不知道该怎么学。 同时，偶尔有读者问关于串口自定义通信协议相关的问题，今天就来写写串口通信协议，并不是你想想中的那么难？

1什么通信协议？

通信协议不难理解，就是两个（或多个）设备之间进行通信，必须要遵循的一种协议。 百度百科的解释：

通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这个规则就是通信协议。

相应该有很多读者都买过一些基于串口通信的模块，市面上很多基于串口通信的模块都是自定义通信协议，有的比较简单，有的相对复杂一点。 举一个很简单的串口通信协议的例子：比如只传输一个温度值，只有三个字节的通信协议：

帧头温度值帧尾

5A一字节数值3B

这种看起来是不是很简单？它也是一种通信协议。 只是说这种通信协议应用的场合相对比较简单（一对一两个设备之间），同时，它存在很多弊端。

2过于简单的通信协议引发的问题

上面那种只有三个字节的通信协议，相信大家都看明白了。虽然它也能通信，也能传输数据，但它存在一系列的问题。

比如：多个设备连接在一条总线（比如485）上，怎么判断传输给谁？（没有设备信息） 还比如：处于一个干扰环境，你能保障传输数据正确吗？（没有校验信息） 再比如：我想传输多个不确定长度的数据，该怎么办？（没有长度信息）。

上面这一系列问题，相信做过自定义通信的朋友都了解。 所以，在通信协议里面要约定更多的“协议信息”，这样才能保证通信的完整。

3通信协议常见内容

基于串口的通信协议通常不能太复杂，因为串口通信速率、抗干扰能力以及其他各方面原因，相对于TCP/IP这种通信协议，是一种很轻量级的通信协议。 所以，基于串口的通信，除了一些通用的通信协议（比如：Modubs、MAVLink）之外，很多时候，工程师都会根据自己项目情况，自定义通信协议。

下面简单描述下常见自定义通信协议的一些要点内容。

（这是一些常见的协议内容，可能不同情况，其协议内容不同） 1.帧头帧头，就是一帧通信数据的开头。 有的通信协议帧头只有一个，有的有两个，比如：5A、A5作为帧头。

2.设备地址/类型设备地址或者设备类型，通常是用于多种设备之间，为了方便区分不同设备。

这种情况，需要在协议或者附录中要描述各种设备类型信息，方便开发者编码查询。 当然，有些固定的两种设备之间通信，可能没有这个选项。 3.命令/指令命令/指令比较常见，一般是不同的操作，用不同的命令来区分。

举例：温度：0x01；湿度：0x02； 4.命令类型/功能码这个选项对命令进一步补充。比如：读、写操作。

举例：读Flash：0x01； 写Flash：0x02； 5.数据长度数据长度这个选项，可能有的协议会把该选项提到前面设备地址位置，把命令这些信息算在“长度”里面。 这个主要是方便协议（接收）解析的时候，统计接收数据长度。

比如：有时候传输一个有效数据，有时候要传输多个有效数据，甚至传输一个数组的数据。这个时候，传输的一帧数据就是不定长数据，就必须要有【数据长度】来约束。 有的长度是一个字节，其范围：0x01 ~ 0xFF，有的可能要求一次性传输更多，就用两个字节表示，其范围0x0001 ~ 0xFFFFF。

当然，有的通信长度是固定的长度（比如固定只传输、温度、湿度这两个数据），其协议可能没有这个选项。 6.数据数据就不用描述了，就是你传输的实实在在的数据，比如温度：25℃。 7.帧尾有些协议可能没有帧尾，这个应该是可有可无的一个选项。

8.校验码校验码是一个比较重要的内容，一般正规一点的通信协议都有这个选项，原因很简单，通信很容易受到干扰，或者其他原因，导致传输数据出错。 如果有校验码，就能比较有效避免数据传输出错的的情况。

校验码的方式有很多，校验和、CRC校验算是比较常见的，用于自定义协议中的校验方式。 还有一点，有的协议可能把校验码放在倒数第二，帧尾放在最后位置。

4通信协议代码实现

自定义通信协议，代码实现的方式有很多种，怎么说呢，“条条大路通罗马”你只需要按照你协议要写实现代码就行。 当然，实现的同时，需要考虑你项目实际情况，比如通信数据比较多，要用消息队列（FIFO），还比如，如果协议复杂，最好封装结构体等。 下面分享一些以前用到的代码，可能没有描述更多细节，但一些思想可以借鉴。

1.消息数据发送a.通过串口直接发送每一个字节这种对于新手来说都能理解，这里分享一个之前DGUS串口屏的例子：

#define DGUS_FRAME_HEAD1 0xA5 //DGUS屏帧头1#define DGUS_FRAME_HEAD2 0x5A //DGUS屏帧头2 #define DGUS_CMD_W_REG 0x80 //DGUS写寄存器指令#define DGUS_CMD_R_REG 0x81 //DGUS读寄存器指令#define DGUS_CMD_W_DATA 0x82 //DGUS写数据指令#define DGUS_CMD_R_DATA 0x83 //DGUS读数据指令#define DGUS_CMD_W_CURVE 0x85 //DGUS写曲线指令 /* DGUS寄存器地址 */#define DGUS_REG_VERSION 0x00 //DGUS版本#define DGUS_REG_LED_NOW 0x01 //LED背光亮度#define DGUS_REG_BZ_TIME 0x02 //

蜂鸣器时长#define DGUS_REG_PIC_ID 0x03 //显示页面ID#define DGUS_REG_TP_FLAG 0x05 //触摸坐标更新标志#define DGUS_REG_TP_STATUS 0x06 //坐标状态#define DGUS_REG_TP_POSITION 0x07 //坐标位置#define DGUS_REG_TPC_ENABLE 0x0B //触控使能#define DGUS_REG_RTC_NOW 0x20 //当前RTCS //往DGDS屏指定寄存器写一字节数据void DGUS_REG_WriteWord（uint8_t RegAddr， uint16_t Data）{ DGUS_SendByte（DGUS_FRAME_HEAD1）; DGUS_SendByte（DGUS_FRAME_HEAD2）;

DGUS_SendByte（0x04）; DGUS_SendByte（DGUS_CMD_W_REG）; //指令 DGUS_SendByte（RegAddr）; //地址 DGUS_SendByte（（uint8_t）（Data》》8））; //数据 DGUS_SendByte（（uint8_t）（Data&0xFF））;} //往DGDS屏指定地址写一字节数据void DGUS_DATA_WriteWord（uint16_t DataAddr， uint16_t Data）{ DGUS_SendByte（DGUS_FRAME_HEAD1）; DGUS_SendByte（DGUS_FRAME_HEAD2）; DGUS_SendByte（0x05）; DGUS_SendByte（DGUS_CMD_W_DATA）; //指令 DGUS_SendByte（（uint8_t）（DataAddr》》8））;

//地址 DGUS_SendByte（（uint8_t）（DataAddr&0xFF））; DGUS_SendByte（（uint8_t）（Data》》8））; //数据 DGUS_SendByte（（uint8_t）（Data&0xFF））;} b.通过消息队列发送在上面基础上，用一个buf装下消息，然后“打包”到消息队列，通过消息队列的方式（FIFO）发送出去。

static uint8_t sDGUS_SendBuf［DGUS_PACKAGE_LEN］; //往DGDS屏指定寄存器写一字节数据void DGUS_REG_WriteWord（uint8_t RegAddr， uint16_t Data）{ sDGUS_SendBuf［0］ = DGUS_FRAME_HEAD1; //帧头 sDGUS_SendBuf［1］ = DGUS_FRAME_HEAD2; sDGUS_SendBuf［2］ = 0x06; //长度 sDGUS_SendBuf［3］ = DGUS_CMD_W_CTRL;

//指令 sDGUS_SendBuf［4］ = RegAddr; //地址 sDGUS_SendBuf［5］ = （uint8_t）（Data》》8）; //数据 sDGUS_SendBuf［6］ = （uint8_t）（Data&0xFF）; DGUS_CRC16（&sDGUS_SendBuf［3］， sDGUS_SendBuf［2］ - 2， &sDGUS_CRC_H， &sDGUS_CRC_L）; sDGUS_SendBuf［7］ = sDGUS_CRC_H;

//校验 sDGUS_SendBuf［8］ = sDGUS_CRC_L; DGUSSend_Packet_ToQueue（sDGUS_SendBuf， sDGUS_SendBuf［2］ + 3）;} //往DGDS屏指定地址写一字节数据void DGUS_DATA_WriteWord（uint16_t DataAddr， uint16_t Data）{ sDGUS_SendBuf［0］ = DGUS_FRAME_HEAD1;

//帧头 sDGUS_SendBuf［1］ = DGUS_FRAME_HEAD2; sDGUS_SendBuf［2］ = 0x07; //长度 sDGUS_SendBuf［3］ = DGUS_CMD_W_DATA; //指令 sDGUS_SendBuf［4］ = （uint8_t）（DataAddr》》8）; //地址 sDGUS_SendBuf［5］ = （uint8_t）（DataAddr&0xFF）; sDGUS_SendBuf［6］ = （uint8_t）（Data》》8）; //数据 sDGUS_SendBuf［7］ = （uint8_t）（Data&0xFF）; DGUS_CRC16（&sDGUS_SendBuf［3］， sDGUS_SendBuf［2］ - 2， &sDGUS_CRC_H， &sDGUS_CRC_L）; sDGUS_SendBuf［8］ = sDGUS_CRC_H; //校验 sDGUS_SendBuf［9］ = sDGUS_CRC_L;

DGUSSend_Packet_ToQueue（sDGUS_SendBuf， sDGUS_SendBuf［2］ + 3）;} c.用“结构体”代替“数组SendBuf”方式结构体对数组更方便引用，也方便管理，所以，结构体方式相比数组buf更高级，也更实用。（当然，如果成员比较多，如果用临时变量方式也会导致占用过多堆栈的情况） 比如：

typedef struct{ uint8_t Head1; //帧头1 uint8_t Head2; //帧头2 uint8_t Len; //长度 uint8_t Cmd; //命令 uint8_t Data［DGUS_DATA_LEN］; //数据 uint16_t CRC16; //CRC校验}DGUS_PACKAGE_TypeDef; d.其他更多串口发送数据的方式有很多，比如用DMA的方式替代消息队列的方式。

2.消息数据接收串口消息接收，通常串口中断接收的方式居多，当然，也有很少情况用轮询的方式接收数据。 a.常规中断接收还是以DGUS串口屏为例，描述一种简单又常见的中断接收方式：

void DGUS_ISRHandler（uint8_t Data）{ static uint8_t sDgus_RxNum = 0; //数量 static uint8_t sDgus_RxBuf［DGUS_PACKAGE_LEN］; static portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE; sDgus_RxBuf［gDGUS_RxCnt］ = Data; gDGUS_RxCnt++; /* 判断帧头 */ if（sDgus_RxBuf［0］ ！= DGUS_FRAME_HEAD1） //接收到帧头1

{ gDGUS_RxCnt = 0; return; } if（（2 == gDGUS_RxCnt） && （sDgus_RxBuf［1］ ！= DGUS_FRAME_HEAD2）） { gDGUS_RxCnt = 0; return; } /* 确定一帧数据长度 */ if（gDGUS_RxCnt == 3） { sDgus_RxNum = sDgus_RxBuf［2］ + 3; } /* 接收完一帧数据 */ if（（6 《= gDGUS_RxCnt） && （sDgus_RxNum 《= gDGUS_RxCnt）） { gDGUS_RxCnt = 0; if（xDGUSRcvQueue ！= NULL） //解析成功， 加入队列 { xQueueSendFromISR（xDGUSRcvQueue， &sDgus_RxBuf［0］， &xHigherPriorityTaskWoken）; portEND_SWITCHING_ISR（xHigherPriorityTaskWoken）; } }}

b.增加超时检测

接收数据有可能存在接收了一半，中断因为某种原因中断了，这时候，超时检测也很有必要。

比如：用多余的MCU定时器做一个超时计数的处理，接收到一个数据，开始计时，超过1ms没有接收到下一个数据，就丢掉这一包（前面接收的）数据。

static void DGUS_TimingAndUpdate（uint16_t Nms）{ sDGUSTiming_Nms_Num = Nms; TIM_SetCounter（DGUS_TIM， 0）; //设置计数值为0 TIM_Cmd（DGUS_TIM， ENABLE）; //启动定时器} void DGUS_COM_IRQHandler（void）{ if（（DGUS_COM-》SR & USART_FLAG_RXNE） == USART_FLAG_RXNE） { DGUS_TimingAndUpdate（5）; //更新定时（防止超时） DGUS_ISRHandler（（uint8_t）USART_ReceiveData（DGUS_COM））; }}

c.更多

接收和发送一样，实现方法有很多种，比如接收同样也可以用结构体方式。但有一点，都需要结合你实际需求来编码。

5最后

以上自定义协议内容仅供参考，最终用哪些、占用几个字节都与你实际需求有关。 基于串口的自定义通信协议，有千差万别，比如：MCU处理能力、设备多少、通信内容等都与你自定义协议有关。 有的可能只需要很简单的通信协议就能满足要求。有的可能需要更复杂的协议才能满足。

最后强调两点：1.以上举例并不是完整的代码（有些细节没有描述出来），主要是供大家学习这种编程思想，或者实现方式。 2.一份好的通信协议代码，必定有一定容错处理，比如：发送完成检测、接收超时检测、数据出错检测等等。所以说，以上代码并不是完整的代码。

编辑：jq