STM32之自定义协议帧格式

自定义协议就是自己指定一套通信的语言格式。

一、为什么用它（自定义协议）？

虽然目前有很多成熟的协议（如Modbus、MQTT、HTTP、CANopen...）,但是嵌入式往往资源有限、功能定制化强，这时就需要自定义的协议，汇总一下原因主要有以下几种：

1、系统资源受限；（标准协议太复杂，占内存大，单片机难实现，如HTTP、MQTT）

2、功能需求独特；（需要传输特定数据，如传感器值、命令、状态等）

3、速度和效率要求高；（通信简洁、响应迅速）

4、硬件接口简单；（串口、485、IIC、SPI等通信接口不自带高级协议，需要自己封装）

5、多设备配合工作。（主控与多节点或模块通信时需要统一自定义格式）

先举个例子：

STM32通过串口与ESP8266通信，想上传温湿度和报警状态到上位机，可以定义一个数据格式，如：

$TEMP,25.6,HUM,60.2,ALARM,0#

上位机根据$开头，#结束，逗号分隔来解析。这就是一个简单的自定义协议。

二、应用场景

1、单片机与传感器节点通信；（如主控STM32与多个从设备通信IIC或SPI或UART）

2、主机与上位机通信；（如STM32通过串口或WIFI发送数据给Qt或PC端软件）

3、多机协同系统；（例如路灯控制系统中主控与多个节点通信）

4、无线通信模块中数据封装；（如LoRa、nRF24L01、蓝牙模块，自己规定帧结构）

5、网关或云端上传前的数据整合；（物联网系统中，网关在上传数据前封装成统一协议格式）

三、怎么设计一个合理的通信协议？

1、定义帧格式

举个例子说明：

AA 55 05 01 19 32 2A 0D 0A

AA 55：帧头 05：数据长度 01：命令字（表示上传温度） 19 32：温度数据（25.62℃）

2A：校验 0D 0A：帧尾

关于命令字：

相当于是一个函数的编号，如：0x01 表示上传温湿度数据；0x02表示上传报警状态；0x10表示设置报警阈值；0x11表示查询设备状态。

关于校验：

这是防止传输数据错误的关键，常用的方法有：

1.累加和校验。这种方法简单快速，即将所有字节求和取低8位

2.CRC16：工业级常用（例如Modbus CRC16）

解析和打包代码：

发送端需要有打包函数，将数据组装成协议的格式后发送；

接收端，解析函数，将接收缓存中提取完整的帧并进行校验。

四、示例：STM32和上位机使用自定义串口协议通信

案例背景：

在智能控制或检测类系统中，例如实现以下功能：

STM32负责采集温湿度、气体浓度、火焰等数据；

上位机（Qt编写）负责实时显示数据、发送控制命令（如控制继电器、蜂鸣器、设置阈值等）；

通信方式：串口（UART）双向通信。

我们思考，怎么实现它？怎么保证STM32和上位机可靠通信？自定义协议？

由于串口传输的只是原始的数据流，没有边界和含义区分。如果不自定义协议（这是我们思考问题的一种方式，就是不使用它会出现什么问题），就会出现以下问题：

1.收到数据无法判断哪个是数据头，哪个是数据尾；
2.多条命令放一块无法区分
3.无法判断指令的类型(几位传输)
4.校验也没有（无法判断数据是否传输正确）

综上所述，自定义协议是一个中肯的选择。

那么针对这个案例，怎么合理的自定义通信协议呢？别着急往下看...

将定义固定的帧格式，包括：帧头、设备ID、命令字、数据长度、数据区、校验、帧尾。

详细的定义如下：

命令字定义：

传输数据帧示例：

AA 55  01  01   04         19 28 00 64   D1    0D 0A
帧头   ID  命令  数据区长度  温湿度数据    校验   帧尾

STM32端实现代码：

//打包发送函数
#include "stdint.h"
#include "string.h"

#define FRAME_HEAD1  0xAA
#define FRAME_HEAD2  0x55
#define FRAME_TAIL1  0x0D
#define FRAME_TAIL2  0x0A

uint8_t tx_buf[64];

// 累加和校验函数
uint8_t Get_Sum(uint8_t *data, uint8_t len)
{
    uint8_t sum = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++)
        sum += data[i];
    return sum;
}

// 打包上传温湿度数据
uint8_t Pack_Temp_Humi(uint8_t id, float temp, float hum)
{
    uint8_t len = 0;
    uint16_t t = (uint16_t)(temp * 10);
    uint16_t h = (uint16_t)(hum * 10);

    tx_buf[len++] = FRAME_HEAD1;
    tx_buf[len++] = FRAME_HEAD2;
    tx_buf[len++] = id;
    tx_buf[len++] = 0x01;    // 功能码：上传温湿度
    tx_buf[len++] = 0x04;    // 数据长度

    tx_buf[len++] = (t >> 8) & 0xFF;
    tx_buf[len++] = t & 0xFF;
    tx_buf[len++] = (h >> 8) & 0xFF;
    tx_buf[len++] = h & 0xFF;

    uint8_t sum = Get_Sum(tx_buf, len);
    tx_buf[len++] = sum;

    tx_buf[len++] = FRAME_TAIL1;
    tx_buf[len++] = FRAME_TAIL2;

    return len;
}

// 串口发送函数
void UART_Send(uint8_t *data, uint8_t len)
{
    for(uint8_t i=0; i<len; i++)
    {
        USART_SendData(USART1, data[i]);
        while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC)==RESET);
    }
}

说明一下（思路理清它）：将固定的帧头、帧尾使用宏定义。定义一个接收缓冲区。将检验和的校验函数封装起来，传参分别为数组指针和长度。编写温湿度数据打包函数，参数为设备ID，温度数据（浮点型数据）和湿度数据（也是浮点型数据），浮点型数据是32位的。先定义一个数组的下标值（len）为0，再将传入的参数1（温度数据）和参数2（湿度数据），扩大10倍，小数点消了，再强转为16位无符号整型数据，方便后面传输数据（将这16位无符号整型数据分结尾两个字节数据因为传输是按字节传输的），依次传输缓冲区数组第1、第2...一直传输到第12个字节数据，他们分别是：帧头（2字节）、id（1字节）、功能码（1字节）、数据区长度（4字节）、温度数据（2字节）、湿度数据（2字节）、帧校验（1字节）、帧尾（2字节），len的值到最后帧尾还要自增，自增后的值就是12，这个12也就是总共传输的字节数，当做返回值。最后就是串口发送函数，我们使用UART1，参数也是传入两个，参数1是数组指针（也就是缓冲区）和长度（也就是上面需要发送的字节数，因为UART一次传输一个字节），放一个循环到里面，因为要循环传输len次，所以条件是<len，变量每次循环自增，每次发送一个字节，发送的缓冲区是变量做数组下标的哪个数组内容，最后加一个判断也就是等待发送完成，才能进入下一次循环，再次进行发送。

那么怎么调用它？

uint8_t len = Pack_Temp_Humi(1, 25.3, 60.2);
UART_Send(tx_buf, len);

接收区解析函数：

思路就是：STM32打开UART中断依次接收字节数据，并把它放到接收缓冲区里（这时我们就要定义一个接收缓冲区），这个里面要增加判断语句，就是判断一帧数据（自定义的协议里面的）是否发送完，可以判断标号是否大于1并且标号的前两个标号的数组内容是帧尾的两个帧尾字节数据。成立的话我们就给一个标志说明一帧数据已经接收完成了。（中断函数不易过长，所以帧解析函数就另封装），帧解析函数无参无返回值，先判断标志位是否是1（也就是一帧传输完成），先将标志位复位0，判断帧头，将接收缓冲区的数据赋给响应的变量（如命令字，数据区长度，校验），将校验函数的返回值赋给一个变量，将这个变量与传过来的校验值对应的变量比较对不，如果OK，则通过命令字的值执行相应的操作。最后将接收缓冲区的下标置0，并且清空接收缓冲区的值都为0.

void TCP_Parse_Recv(uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    if(len < 8) return;  // 最小长度检查

    if(buf[0]==0xAA && buf[1]==0x55)
    {
        uint8_t cmd = buf[4];
        uint8_t datalen = buf[5];
        uint8_t checksum = buf[6 + datalen];
        uint8_t sum = Get_Sum(buf, 6 + datalen);

        if(checksum == sum && buf[7 + datalen] == 0x0D && buf[8 + datalen] == 0x0A)
        {
            switch(cmd)
            {
                case 0x10:  // 设置阈值
                    // buf[6], buf[7]等解析
                    break;

                case 0x11:  // 控制继电器
                    if(buf[6] == 0x01)
                        Relay_On();
                    else
                        Relay_Off();
                    break;
            }
        }
    }
}

学到这里，应用起来。

实现：STM32使用串口1发送数据（以自定义的协议类型）给上位机，看看上位机收到了什么（这里前提是上位机自己已经做好了，目前还没做），也可以验证一下。所以真正需要验证的是：上位机根据这个格式发送给STM32特定格式的数据，随后下位机接收后根据协议格式，返回给上位机真实数据。

自定义的帧格式是：

AA 55  01 02  00 02       01 02  00 00 00 00   07     0D 0A
帧头   命令    数据区长度  数据区  保留区         校验   帧尾
(2B)   (2B)   (2B)        (2B)   (4B)           (1B)  (2B)

验证现象一：STM32-->串口助手发送验证成功！

验证现象二：串口助手-->STM32发送验证成功！

发数据1：AA 55 01 02 00 02 01 02 00 00 00 00 07 0D 0A

发数据2：AA 55 02 03 00 02 01 02 00 00 00 00 09 0D 0A（记得校验码要正确，否则不会执行）

两个现象不一致！

测试PASS！说明我们写的程序没有问题！继续再接再厉💪