江科大32——USART发送数据包原理

1.HEX数据包格式

 数据包的作用：

        把一个个单独的数据打包起来，方便进行多字节的数据通信。

比如：陀螺仪传感器需要用串口发送数据到STM32，陀螺仪的数据有X轴一个字节，Y轴一个字节，Z轴一个字节，3个数据，需要连续不断地发送。如果使用XYZXYZXYZ连续发送就会出现接收方识别不出X，Y，Z对应的数据，即不知道数据哪个对应X，哪个对应Y。因为接收方可能会从任意位置接收，所以会出现数据错位的现象。所以就出现了使用包头包尾把XYZ这一批数据进行分割。分割成一个个数据包，数据包的第一个数据就是X,第二个就是Y。属于把同一批的数据进行打包分割，方便接收方进行识别。

打包的方法可以自己设计，比如在XYZXYA数据流中，数据包的第一个数据即X的数据包，最高位置1，其余数据置0，接收数据后，判断最高位，如果是1就是X数据，接下来的数据就是Y和Z。

这种方法的原理是把每个数据地最高位当作标志位来进行分割。

串口数据包通常使用的收发数据的方法：

        额外添加包头包尾

1）固定包长，含包头包尾，就是每个数据包的长度固定不变，数据包前面是包头，后面是包尾

2）可变包长，含包头包尾，也就是每个数据包的长度可以是不一样的，前面是包头，后面是包尾。

数据包格式可以根据用户需求自己规定，也可以是模块开发者规定。

上图固定有效数据包长为4个字节，在加上包头包尾就是6个字节

定义0XFF为包头，在四个字节之后，定义0XFE为包尾

添加包头包尾打包数据思路：

当接收到0XFF后，就知道一个数据包来了，接下来接收的4个字节数据接当作数据包的第1，2，3，4个数据存在一个数组里。当收到包尾0XFE之后，就可以置一个标志位，告诉程序，我接收到了一个数据包。然后新的数据包过来重复之前的过程。这样就可以在数据流中分割出想要的数据包。

问题1：如果传输的数据本身和包头包尾一样，例如传输的数据是0XFF,0XFE可能会引起误判，解决方法如下：

1）限制载荷数据的范围，在发送的时候对数据进行限幅，比如X,Y,Z3个数据，变化范围可以是0-100，就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）如果无法避免数据和包头包尾重复，就尽量使用固定长度的数据包，这样，由于载荷数据固定

只要通过包头包尾对齐数据，就可以严格知道那个数据是包头包尾，哪个数据是载荷数据，在接收载荷数据的时候不会判断它是否是包头包尾，在接收包头包尾时，会判断它是否属于包头包尾，用于数据对齐，经过几个数据包的对齐之后，剩下的数据包就不会出现问题了。

3）增加包头包尾的数量，并尽量让它呈现出载荷数据呈现不了的状态，比如使用FF,FE作为包头，使用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。

问题2：包头包尾的数据并不是全都需要的，比如可以只要一个包头，把包尾删掉，这样数据包的格式就是一个包头FF+4个数据，当检测到FF，开始接收4个字节，置标志位，一个数据包接收完成。但是这样载荷和包头重复的问题会更严重，比如最严重时，载荷全是FF，这时包头也是FF，这时就不知道哪个是包头，加上FE作为结尾后，数据怎么变化都可以分辨出包头包尾。

问题3：固定包长和可变包长的选择

对于HEX数据包，如果载荷和包头包尾会出现重复的情况，最好选择固定包长，这样可以避免接收错误。载荷不会和包头包尾重复，可以选择可变包长这时数据长度可以任意变化，因为这时包头包尾是唯一的。

问题4：各种数据转化为字节流

由于数据包是一个字节一个字节组成的，如果想发送uint16_t,uint32_t,float,double,结构体数据都是可以的，因为它们内部是由一个字节一个字节组成的。

只需用uint8_t指针指向它，把他们当作一个字节数组发送就行了。

2.文本数据包

文本数据包需要经过编码和译码，最终表现出文本格式，但实际上每个文本字符背后还是一个字节的HEX数据。

文本传输数据的模式也是固定包长和可变包长两种模式，由于数据译码成了字符的形式，就会有很多字符可以作为包头包尾，可以有效避免载荷和包头包尾重复。所以文本数据包基本不需要担心数据包和包头包尾重复的问题。可变包长中各种字母，数字，符号都可以随意使用。

当接收到载荷数据之后得到的就是一个字符串，在软件中对字符串进行操作和判断，就可以进行指令控制的功能。字符串表达的意义比较明显

3.两种数据包的优缺点

1）HEX数据包：

优点：传输直接，解析数据简单，比较适合模块发送的原始数据。

比如使用串口通信的陀螺仪，温湿度传感器。

缺点：灵活性不足，载荷容易和包头包尾重复。

2）文本数据包

优点：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。

缺点：解析效率低，比如发送100，HEX数据包发送一个字节100就行了，文本数据包就需要发送3个字节的字符，‘1’，‘0’，‘0’.收到之后还要把字符转换成数据，才能得到100.

可以根据实际场景选择数据包格式

4.数据包的收发流程

1）数据包的发送流程：

比如HEX数据包：定义一个数组，填充数据，用SendArray（）函数就行了

文本数据包：写一个字符串，调用SendString（）

2）接收数据包流程

固定包长HEX数据包的接收方法：

根据之前的代码，每收到一个字节程序都会进行一次中断，在中断程序函数拿到字节数据，拿到数据后就退出中断，所以每拿到一个数据，都是一个独立的过程。

但是对于数据包，它具有前后关联性，包头之后是数据，数据之后是包尾，对于这3种状态需要不同的处理逻辑，所以需要设计一个能记住不同状态的机制。在不同状态进行不同的操作，同时进行状态的合理转移。

这种程序设计思维叫做状态机

这里使用状态机的方法接收数据包，要想设计一个好的状态机程序，上面的状态转移图是必要的。

对于固定包长HEX数据来说，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比如上面用变量S进行标志.3个状态依次为S=0,S=1,S=2。

类似标志位。

执行流程：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。下次进中断，根据S=1，就可以进行接收数据的程序。如果不是FF，证明数据包没有对齐，应该等待数据包包头的出现。这时状态等然是0，下次进中断，还是判断包头的逻辑。直到出现FF才能转到下一个状态，出现FF就可以转移到接收数据的状态，接收到了数据就直接把它存在数组中，再用另一个变量记录收到了多少个数据，如果没收够4个数据，就一直是接收状态，收够了，就置S=2.下次进中断时就可以进下一个状态了。下个状态就是等到包尾，判断是不是FE，判断完之后置S=0。

当数据和包头重复，导致包头判断错误，包尾位置可能就不是FE，这时就可以进行重复等待包尾的状态，直到接收到真正的包尾。

使用的基本步骤：

根据项目要求定义状态，（画个圈）考虑好各个状态在什么情况下会进行转移，如何转移（画好线和转移条件）根据图进行编程思维更清晰。

2）可变包长文本数据包接收流程

利用状态机定义3个状态

第一个状态：等待包头，判断接收到数据的是不是规定的‘@’符号

，如果收到@就进入接收状态，在这个状态下接收数据，同时，这个状态还应该兼具等待包尾的功能。因为这时可变包长，我们在接收数据的时候，要时刻监视是不是接收到包尾了。一旦接收到包尾了就结束。

这个状态的接受逻辑是：

收到一个数据，判断是不是\r   如果不是就正常接收，如果是就不接收，同时跳到下一个状态，等待包尾\n因为这里有2个包尾。如果只有一个包尾，在出现包尾之后就可以直接回到初始状态了。

串口的包头包尾不会出现在数据中，所以不会出现数据错位的现象