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9-4 USART串口数据包

news 来源：原创 2025/8/18 20:08:52

HEX数据包的接收

研究几个小问题

1.包头包尾和数据载荷重复的问题

这里定义FF为包头，FE为包尾，如果我传输的数据本身就是FF和FE怎么呢？那这个问题确实存在，如果数据和包头包尾重复，可能会引起误判。我们有以下几种解决方案：1.限制载荷数据的范围，如果可以的话，我们可以在发送的时候，对数据进行限幅。比如XYZ，3个数据，变化范围都可以是0_{100，那就好办了，我们可以在载荷中只发送0}100的数据，这样就不会和包头包尾重复了 2.如果无法避免载荷数据和包头包尾重复，那我们就尽量使用固定长度的数据包，这样由于载荷数据是固定的，只要我们通过包头包尾对齐了数据，我们就可以严格知道，哪个数据应该是包头包尾，哪个数据应该是载荷数据，在接收载荷数据的时候，我们并不会判断它是否是包头包尾，而在接收包头包尾的时候，我们会判断它是不是包头包尾，用于数据对齐。这样，在经过几个数据包的对齐之后，剩下的数据包应该就不会出现问题了。3.增加包头包尾的数量，并且让它尽量呈现出载荷数据出现不了的状态，比如我们使用FF、FE作为包头，FD、FC作为包尾，这样也可以避免载荷数据和包头包尾重复的情况发生。

2.这个包头包尾并不是全部都需要的，比如我们可以只要一个包头，把包尾删掉，这样数据包的格式就是，一个包头FF，加4个数据，这样也是可以的，当检测到FF 开始接收，收够4个字节后，置标志位，一个数据包接收完成，不过这样的话，载荷和包头重复的问题会更严重一些，比如最严重的情况下，我载荷全是FF，包头也是FF，而加上了FE作为包尾，无论数据怎么变化，都是可以分辨出包头包尾的

3.就是固定包长和可变包长的选择问题，对应HEX数据包来说，如果你的载荷会出现和包头包尾重复的情况，那就最好选择固定包长，这样可以避免接收错误，如果你又会重复，又选择可变包长，那数据很容易就乱套了，如果载荷不会和包头包尾重复，那可以选择可变包长

4.各种数据转换为字节流的问题，这里数据包都是一个字节一个字节组成的，如果你想发送16位的整型数据，32位的整型数据，float double，甚至是结构体，其实都没问题。因为它们内部其实都是由一个字节一个字节组成的，只需要用一个uint8_t的指针指向它，把它们当做一个字节数组发送就行了。

文本数据包的接收

而在文本数据包里面，每个字节就经过了一层编码和译码，每个文本字符背后，其实都还是一个字节的HEX数据，对吧。在载荷数据中间可以出现除了包头包尾的任意字符，这很容易做到，所以文本数据包基本不用担心载荷和包头包尾重复的问题，使用非常灵活，可变包长各种字母、符号、数字，都可以随意使用。在软件中再对字符串进行操作和判断。就可以实现各种指令控制的功能了。而且，字符串数据包表达的意义很明显，可以把字符串数据包直接打印到串口助手上，什么指令、什么数据，一眼就能看明白。所以这个文本数据包，通常会以换行作为包尾，这样在打印的时候，就可以一行一行地显示了，非常方便，那HEX数据包和文本数据包这两种对比下来，其实也是各有优缺点，HEX数据包，优点是，传输最直接，解析数据非常简单，比较适合一些模块发送原始的数据，比如一些使用串口通信的陀螺仪、温湿度传感器。缺点就是灵活性不足，载荷容易和包头包尾重复。文本数据包，优点是，数据直观易理解，非常灵活，比较适合一些输入指令进行人机交互的场合。比如蓝牙模块常用的AT指令，CNC和3D打印机常用的G代码，都是文本数据包的格式，那缺点就是解析效率低，如果发送一个数100，HEX数据包就是一个字节100，完事。文本数据包就得是3个字节的字符，‘1’，’0‘，’0‘，收到后还要把字符转换成数据，才能得到100。所以说，我们需要根据实际场景来选择和设计数据包格式。

数据包的收发流程

首先是数据包的发送，其实数据包的发送非常简单，不用说，大家应该也都能想到，在HEX数据包这里，我如果想发送这样一个数据包，就定义一个数组，填充数据，然后用上一小节我写过的SendArray，一发就完事了。文本数据包这里，也很简单，写一个字符串，然后调用SendString，一发送，也完事了。所以说，发送这个数据包是很简单的，因为发送过程完全是自主可控的，想发啥就发啥，我们写代码的时候也能感受到，串口发送，比接收简单多了。

那接下来，接收一个数据包，这就比较复杂了。

我这里演示了固定包长HEX数据包的接收方法

首先，根据之前的代码，我们知道，每收到一个字节，程序都会进一遍中断，在中断函数里，我们可以拿到这一个字节，但拿到之后，我们就得退出中断了。所以，每拿到一个数据，都是一个独立的过程，而对于数据包来说，很明显它具有前后关联性，包头之后是数据，数据之后是包尾，对于包头，数据和包尾这3种状态，我们都需要有不同的处理逻辑，所以在程序中，我们需要设计一个能记住不同状态的机制，在不同状态执行不同的操作，同时还要进行状态的合理转移，这种程序设计思维，就叫做 “状态机”。在这里我们就使用状态机的方法来接收一个数据包，要想设计一个好的状态机程序，画一个这样的状态转移图是必要的，对于上面这样一个固定包长HEX数据包来说，我们可以定义3个状态，第一个状态是等待包头，第二个状态是接收数据，第三个状态是等待包尾，每个状态需要用一个变量来标志一下，比如我这里用变量S来标志，三个状态依次为S=0、S=1、S=2，这一点类似于置标志位，只不过标志位只有0和1，而状态机是多标志位状态的一种方式。然后执行流程是，最开始，S=0；收到一个数据进中断，根据S=0，进入第一个状态的程序，判断数据是不是包头FF，如果是FF，则代表收到包头，之后置S=1，退出中断，结束。这样下次再进中断，根据S=1，就可以进行接收数据的程序了，那在第一个状态，如果收到的不是FF，就证明数据包没有对齐，我们应该等待数据包包头的出现，这时状态就仍然是0，下次进中断，就还是判断包头的逻辑，直到出现FF，才能转到下一个状态，那之后，出现了FF，我们就可以转移到接收数据的状态了，这时再收到数据，我们就直接把它存在数组中，另外再用一个变量，记录收了多少个数据，如果没收够4个数据，就一直是接收状态，如果收够了，就置S=2，下次进中断时，就可以进入下一个状态了，那最后一个状态就是等待包尾了，判断数据是不是FE，正常情况，应该是FE，这样就可以置S=0 回到最初的状态，开始下一个轮回，当然也有可能，这个数据不是FE，如数据和包头重复，导致包头位置判断错了，那这个包尾位置就有可能不是FE，这时就可以进入重复等待包尾的状态，直到接收到真正的包尾，这样加入包尾的判断，更能预防因数据和包头重复造成的错误，这就是使用状态机接收数据包的思路，这个状态机其实是一种很广泛的编程思路。

可变包长文本数据包的接收方法

第一个状态，等待包头，判断收到的是不是我们规定的@符号，如果收到@，就进入接收状态，在这个状态下，依次接收数据，同时，这个状态还应该要兼具等待包尾的功能，因为这是可变包长，我们接收数据的时候，也要时刻监视，是不是收到包尾了，一但收到包尾了，就结束，那这里，这个状态的逻辑就应该是，收到一个数据，判断是不是\ r，如果不是，则正常接收，如果是，则不接收，同时跳到下一个状态，等待包尾\ n，因为我这里数据包有两个包尾\r，\n，所以需要第三个状态，如果只有一个包尾，那在出现包尾之后，就可以直接回到初始状态了，只需要两个状态就行，因为接收数据和等待包尾需要在一个状态里同时进行，由于串口的包头包尾不会出现在数据中，所以基本不会出现数据错位的现象，这就是使用状态机接收文本数据居包的方法。

HEX数据包的接收

文本数据包的接收

数据包的收发流程

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