前言

協(xié)議就是約束雙方通信的一種規(guī)范，只有嚴(yán)格遵守這種協(xié)議的設(shè)備才能進(jìn)行相互的通信。比如串口通信協(xié)議，必須包含起始位、主體數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位及停止位，雙方需要約定一致的數(shù)據(jù)包格式才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)的有關(guān)規(guī)范。在串口通信中，常用的協(xié)議包括RS-232、RS-422和RS-485等。與此類似還有I2C通信協(xié)議。但是往往這些只是底層的通信協(xié)議，很多外設(shè)都已經(jīng)集成好了，只需配置相關(guān)的寄存器就能夠得到數(shù)據(jù)主體了。根本不需要用戶去關(guān)注協(xié)議的組成，而我這篇文章主要講的是用戶層協(xié)議的編制原理和實(shí)現(xiàn)手段。

什么是用戶層協(xié)議？簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用戶自定義的某種數(shù)據(jù)格式，有包頭，心跳幀，命令字，數(shù)據(jù)幀，校驗(yàn)幀，結(jié)尾幀等。當(dāng)需要接受數(shù)據(jù)幀的設(shè)備收到一幀數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解包，并且校驗(yàn)，將有用的數(shù)據(jù)幀提取出來(lái)，然后根據(jù)具體的數(shù)據(jù)幀執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。這就是用戶協(xié)議編制的基本原理。下面來(lái)具體講一下這個(gè)過(guò)程。

什么情況下會(huì)用到用戶層協(xié)議

做嵌入式肯定會(huì)遇到兩個(gè)模塊進(jìn)行通信的情景，比如兩個(gè)mcu或者兩個(gè)mpu，mcu與mpu之間的交互，往往涉及到多種邏輯。不像單功能模塊一樣只做一件事，可能涉及到許多的交互，比如狀態(tài)上傳，控制邏輯等等。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，mcu要和智能電表進(jìn)行交互。此時(shí)mcu不僅可以讀取到電表電能，電量等信息，也可以控制空開(kāi)的開(kāi)合閘。同時(shí)，電表也可能主動(dòng)向mcu上傳一些報(bào)警信息。針對(duì)這樣的情況，就需要制定電表協(xié)議，電表按照這樣的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，mcu也需要有發(fā)出或者解析這樣格式的能力。

從modbus協(xié)議開(kāi)始分析

首先Modbus是一種工業(yè)上常用的通信協(xié)議，其中包含RTU,ASCII,TCP等等，其中MODBUS-RTU比較容易實(shí)現(xiàn)。一般的文檔寫的都比較復(fù)雜，將用最簡(jiǎn)單的方式講述一下這個(gè)過(guò)程。我們不分析協(xié)議內(nèi)容，只講協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

假如我們從串口收到了一條報(bào)文：01 06 00 01 00 17 98 04。這一串16進(jìn)制的數(shù)據(jù)被存放在一個(gè)buf數(shù)組中，首先編程人員要理解這一串?dāng)?shù)據(jù)的含義，所以先進(jìn)行拆包。

從機(jī)地址：

一條總線上可能掛載多個(gè)設(shè)備（對(duì)于串口一般是RS-485）。所以需要廣播這個(gè)消息是發(fā)送給哪個(gè)設(shè)備的，01表示告訴的是地址編號(hào)為01的設(shè)備。

功能號(hào)：

顧名思義，功能號(hào)就是通知該設(shè)備執(zhí)行什么動(dòng)作，比如控制LED燈，或者打開(kāi)某個(gè)寄存器等等。每一項(xiàng)動(dòng)作都是有特定的功能號(hào)。

數(shù)據(jù)地址：

數(shù)據(jù)地址就是操作的設(shè)備的寄存器，這個(gè)在modbus協(xié)議特有，暫時(shí)不做分析。自定義協(xié)議時(shí)也很少用到。

數(shù)據(jù)：

這部分就是將特定的數(shù)據(jù)交給設(shè)備，比如可以自定義開(kāi)燈動(dòng)作為數(shù)據(jù)”1“，關(guān)燈動(dòng)作為數(shù)據(jù)"0"。設(shè)備接收到特定的功能號(hào)，然后解析這個(gè)數(shù)據(jù)，就能夠執(zhí)行具體的動(dòng)作了。

CRC校驗(yàn)：

校驗(yàn)的目的就是為了保證這一包數(shù)據(jù)的完整性，發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是主機(jī)已經(jīng)算好了CRC校驗(yàn)碼，然后設(shè)備收到數(shù)據(jù)后，再次將前面的數(shù)據(jù)算一遍，然后與接收到的CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行對(duì)比，如果數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，就證明數(shù)據(jù)完整且傳輸過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。然后才能開(kāi)始執(zhí)行動(dòng)作。如果校驗(yàn)有誤，應(yīng)該丟棄該包數(shù)據(jù)，請(qǐng)求重傳，以免造成不可預(yù)知的后果。

主機(jī)發(fā)送完這串字符串后，可以看到編號(hào)為01的從機(jī)開(kāi)始執(zhí)行動(dòng)作了。這只是一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，但是也能說(shuō)明白用戶層協(xié)議是怎么一回事。

開(kāi)始一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用

協(xié)議制定

在做項(xiàng)目之前，先設(shè)計(jì)需求，假如我們有這樣一個(gè)需求：現(xiàn)在做了一個(gè)從機(jī)的板子，上邊只有一個(gè)按鍵和一個(gè)led。這塊板子和另一塊主機(jī)通過(guò)串口方式進(jìn)行連接。當(dāng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包:命令碼0x01,控制碼0x01的數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)時(shí)，點(diǎn)亮模塊板上的LED，當(dāng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包:命令碼0x01,控制碼0x00的數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)時(shí)，熄滅板子上的LED。當(dāng)按鍵按下時(shí)，板子主動(dòng)上傳:命令碼0x02,控制碼0x00的數(shù)據(jù)。

功能已經(jīng)明確，接著就開(kāi)始寫協(xié)議文檔。

協(xié)議文檔就是約束通信雙方的通信格式，一般用word文檔比較正式也比較好交接。首先可以規(guī)定串口波特率，有無(wú)校驗(yàn)位，停止位。然后開(kāi)始規(guī)范包格式。根據(jù)這個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用需求，我可以先制定包格式如下

制定完基本格式，然后一條一條的完善這個(gè)協(xié)議

LED控制(0x01)

數(shù)據(jù)格式

說(shuō)明：

當(dāng)收到命令為0x01的命令碼時(shí)，需要判斷控制碼執(zhí)行的動(dòng)作，然后進(jìn)行關(guān)燈和開(kāi)燈的操作。

按鍵狀態(tài)上傳(0x02)

數(shù)據(jù)格式

說(shuō)明：

當(dāng)按鍵按下時(shí)，模塊主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送命令碼為0x02的數(shù)據(jù)包，其他情況下不會(huì)發(fā)送。

程序分析

可以用在stm32f103cbt6上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在寫代碼時(shí)，先設(shè)計(jì)程序的框架。用到的資源：

1.串口

2.rt-thread操作系統(tǒng)

3.按鍵中斷

4.led

如果用到了rt-thread系統(tǒng)，就不用從頭開(kāi)始，我們只專注于協(xié)議部分的實(shí)現(xiàn)就好。點(diǎn)燈操作可以采用pin驅(qū)動(dòng)模型。程序部分的設(shè)計(jì)我將在下一篇文章中詳細(xì)介紹。

總結(jié)

用戶協(xié)議的制定是非常重要，也是非常的關(guān)鍵的，前面很多人都不理解協(xié)議，這篇文章寫得很基礎(chǔ)，也非常容易理解，希望能夠給大家一點(diǎn)幫助。下一篇文章將從協(xié)議的去耦合性以及可擴(kuò)展性上詳細(xì)設(shè)計(jì)一下代碼。