大话串口：自定义协议帧，解决多设备通信的 “万金油”

串口深度解析：面向多设备通信的自定义帧

本教程讲解 UART 异步串口通信、帧结构、奇偶校验、波特率相关概念以及数据传输工作流程。

1. 基础概念

思考以下应用场景：

• 接收端需要接收可变长度的数据
• 发送端会不定时发送不同类型的数据（例如三轴陀螺仪发送 X、Y、Z 三个方向的角度、角速度、加速度信息）
• 多个设备挂载在同一总线（例如 RS485）上，如何判断接收到的数据是发给哪台设备

可以看到，面对以上场景时，串口通信中需要携带更多信息，例如传输的数据类型、数据长度、目标接收设备编号等。这时，我们可以在发送设备与接收设备之间使用​自定义串口通信协议帧​。简单来说，就是将串口通信中传输的若干数据包组装成一帧数据。不同传输顺序的数据包代表不同含义（例如，第三个传输数据包的有效数据位代表目标接收设备的设备号等）。接收设备通过解析由多个数据包组成的数据帧，就可以准确无误地获取所需数据。

串口通信层级示意图

2. 自定义协议帧格式

自定义协议帧一般由以下部分组成：帧头、帧尾、地址信息、数据类型、数据长度、数据块、校验码等。自定义协议帧的通用格式如下：

3. 自定义协议的组包与解包

组包（打包）指在待发送数据的首尾添加标识（如帧头、设备地址、命令、命令类型、数据长度、帧尾、校验码等）；解包则是从接收到的数据帧中剔除有效数据以外的部分，提取出原始发送数据。

数据解包的常规流程如下：

收到数据帧的每个数据包后，都需要做校验：

收到第一个字节数据时，判断是否为帧头；如果是帧头，则继续接收下一个数据，同时置位帧头接收完成标志，并将帧头存入预先定义的列表或其他数据结构做缓存，方便接收完毕后对数据做后续处理；如果不是帧头，则不置位帧头接收完成标志，继续判断下一个收到的数据是否为帧头。

接收功能码（即设备地址、命令类型、指令等）时流程同上：首先判断该数据是否处于功能码预设参数范围内，也就是入参校验（举例：命令仅有 0x51、0x52、0x53 这三类，需要判断收到的命令是否为其中之一）。如果该数据属于功能码预设参数范围，则置位功能码接收完成标志，并存入缓存数据结构；否则，重新从帧头开始接收。

这里需要特别注意：针对数据长度功能码，必须判断数据长度的取值范围。否则，如果数据长度接收出错，会引发内存溢出问题（例如接收到的数据长度超出预设列表的最大存储空间）。

全部校验通过后，从缓存数据结构中提取数据与指令，再依据提取到的数据和指令执行后续业务操作。