Arduino中Serial.print()与Serial.write()函数的区别，以及串口通信中十六进制与字符串的收发格式问题和转换过程详解

已于 2022-08-31 10:24:49 修改
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分类专栏： 嵌入式系统 文章标签： 单片机 嵌入式硬件 串口
于 2022-06-10 14:41:30 首次发布
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1、串口通信中十六进制和字符数据的区别

串口收发数据时字符、十六进制、二进制格式详细区分
ASCII码查询表格

在使用串口发送数据时可以选择字符串（ASCII）发送或者十六进制（Hex）发送，通常情况下我们习惯选用字符串发送数据。

在计算机中，数据是以二进制的形式存储的，串口发送的数据，本质上来讲，就是 0 和 1 这样的二进制，但是在编译时，可能使用16进制进行表示。

对于 ASCII码（字符），其本质上也是二进制数据，可以使用16进制表示，可以使用10进制表示，也可以使用字符表示。在串口通讯过程中，是以16进制进行表示，以二进制进行传输的。（即先将字符转化为ASCII码，然后转化为十六进制表示，最后用对应的二进制数进行传输）

下面来对比不同的收发格式：

（1）十六进制：由于 1 位⼗六进制数位宽为 4bits ，那么 2 位十六进制数占有⼀个字节的位宽，所以当以16进制格式收发时，每个字节发送或者接收2位十六进制数， 举个例子 ，当以16进制格式发送⼀组数据 ‘’ 0F3C781A ‘’ 时 , 每个字节对应的数据如下：

发送数据0x0F0x3C0x780x1A
字节数1234

由于计算机传输数据都是以二进制数进行传输的，参照十六进制收发格式的原理 ，每位⼆进制数位宽为 1bit ，那么串⼝每个字节可以传输 8 位⼆进制数，那么，在传输数据 ''0F3C781A ‘’ 时 ，每个字节对应的数据即为上表中十六进制数对应的⼆进制数。

发送数据0000 11110011 11000111 10000001 1010
字节数1234

（2）字符：串⼝在以字符格式收发数据时 ，因为每个字符在 ASCII 码表中对应成⼆进制码都是8bit 宽的⼆进制数 ，正好为⼀个字节，所以默认先将该字符转换为对应的⼆进制数然后发送，相当于每个字节发送⼀个字符。
串⼝接收端如果是⼆进制格式，那么将直接显示；
如果为十六进制，即显示该字符在ASCII码表中对应的2位⼗六进制数 ；
如果串⼝接收端以字符格式显示的话即将接收到的⼆进制数按照 ASCII 码表再转换为对应的字符 (该字符与发送的字符相同) 然后显示。

字符0F3C781A
对应的16进制数0x300x460x330x430x370x380x310x41
对应的2进制数0011_00000100_01100011_00110100_00110011_01110011_10000011_00010100_0001

那么以字符格式发送该段数据后，分别以字符格式、16进制、⼆进制格式接收到的数据为：

接收字节数12345678
接收字符0F3C781A
接收6进制数0x300x460x330x430x370x380x310x41
接收2进制数0011_00000100_01100011_00110100_00110011_01110011_10000011_00010100_0001

总结：
其实在串口收发数据时，不同的数据格式只是数据的一个表现形式，最重要的是要将收发端对数据的解析协议统一。

在发送数据时，我们通常使用字符串的格式来记录数据的，如果接收端要求是字符串格式，那么发送数据直接发送即可（自动将字符对应的ASCII码转换成8位二进制数发送）；

如果接收端要求是十六进制格式，比如发送0x0F3C781A，我们在发送端用字符串格式保存即为 “0x0F3C781A”，此时我们需要手动将这段字符串转换成对应的十六进制数然后发送，确保接收端收到的数据就是 0000 1111 0011 1100 0111 1000 0001 1010，即0x0F3C781A，而不是以字符发送的二进制格式 0011_0000 0100_0110 0011_0011 0100_0011 0011_0111 0011_1000 0011_0001 0100_0001。

举例：

在这里插入图片描述

CR和LF 起源于机械打字机时代。
CR（Carriage Return）表示回车，使光标到行首，用符号 \r表示，十进制ASCII代码是13，十六进制代码为0x0D；
LF（Line Feed）表示换行，使光标下移一格，使用\n符号表示，ASCII代码是10，十六制为0x0A。
Dos和Windows采用回车+换行（CR+LF，\r\n）表示下一行 而UNIX/Linux采用换行符（LF，\n）表示下一行
苹果机(MAC OS系统)则采用回车符（CR，\r）表示下一行

2、Arduino中Serial.print()与Serial.write()函数的区别

首先需要知道：
Serial.print() 发送的是字符，
Serial.write() 发送的字节。

在发送不同类型的数据时存在不一样的区别：

1、发送十进制的数据

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  int i = 97;
  Serial.print(i);
  delay(50);
  Serial.write(i);
}
  • 用Serial.print() 发送的过程

十进制 int 97 —— 转化为字符型数据 char 9、和char 7—— 发送 9 和 7 的ASCII码 （00111001 00110111），对应十六进制数为 39 37.

若串口监视器以ASCII格式接收，则直接显示 97；
若以十六进制Hex格式接收，则显示39 37。
  • 用Serial.write() 发送的过程

十进制 int 97 —— Serial.write() 发送十进制数 97 对应的ASCII码 (二进制10010111)

若串口监视器以ASCII格式接收，则显示 a；
若以十六进制Hex格式接收，则显示61。

ASCII: 97a
Hex: 39 37 61

2、发送十六进制的数据

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  int i = 0x7A;
  Serial.print(i);
  delay(50);
  Serial.write(i);
}
  • 用Serial.print() 发送的过程

十六进制 int 0x7A —— 默认转换为十进制 122 —— 转化为字符型数据 ‘1’ ‘2’ ‘2’—— Serial.print() 发送 ‘1’ ‘2’ ‘2’ 的ASCII码 （00110001 00110010 00110010），对应十六进制数为 31 32 32.

若串口监视器以ASCII格式接收，则直接显示 122；
若以十六进制Hex格式接收，则显示 31 32 32。
  • 用Serial.write() 发送的过程

十六进制 int 0x7A —— Serial.write() 发送十六进制数 0x7A 对应的ASCII码 (二进制01111010)

若串口监视器以ASCII格式接收，则显示 z；
若以十六进制Hex格式接收，则显示 7A。

ASCII: 122z
Hex: 31 32 32 7A

3、发送二进制的数据

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  int i = B01101101;
  Serial.print(i);
  delay(50);
  Serial.write(i);
}
  • 用Serial.print() 发送的过程*

二进制 int B01101101 —— 默认转换为十进制 109 —— 转化为字符型数据 ‘1’ ‘0’ ‘9’—— Serial.print() 发送 ‘1’ ‘0’ ‘9’ 的ASCII码 （00110001 00110000 00111001），对应十六进制数为 31 30 39.

若串口监视器以ASCII格式接收，则直接显示 109；
若以十六进制Hex格式接收，则显示 31 30 39。
  • 用Serial.write() 发送的过程

二进制 int B01101101 —— Serial.write() 发送二进制数 0xB01101101 对应的ASCII码 (十六进制为6D)

若串口监视器以ASCII格式接收，则显示 m；
若以十六进制Hex格式接收，则显示 6D。

ASCII: 109m
Hex: 31 30 39 6D

4、发送字符型数据时没有区别

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  char i[] = "char";
  Serial.print(i);
  delay(50);
  Serial.write(i);
}
  • 用Serial.print() 发送的过程

字符串 “char” —— Serial.print() 发送 ‘c’ ‘h’ ‘a’ ‘r’ 的ASCII码 （01100011 01101000 01100001 01110010），对应十六进制数为 63 68 61 72.

若串口监视器以ASCII格式接收，则显示 char；
若以十六进制Hex格式接收，则显示 63 68 61 72。
  • 用Serial.write() 发送的过程

字符串 “char” —— Serial.write() 发送 ‘c’ ‘h’ ‘a’ ‘r’ 字符对应的ASCII码 （01100011 01101000 01100001 01110010），对应十六进制数为 63 68 61 72.

若串口监视器以ASCII格式接收，则显示 char；
若以十六进制Hex格式接收，则显示 63 68 61 72。

ASCII: charchar
Hex: 63 68 61 72 63 68 61 72

总结一下，
Serial.print() 发送的是字符，
Serial.write() 发送的字节。

也就是说，
Serial.print() 会经过 其他进制数 -> 默认十进制数 -> 字符的类型转换，最后发送多个字符对应的ASCII码的二进制数据，一个字符对应一个字节（8位）。

此外，Serial.print(val, format)还能通过设置 format 将 数字val 转换为指定进制类型进行发送；Serial.print(val) 等效于Serial.print(val, DEC)。

Serial.write() 则不经过转换，直接发送不同类型数据对应的ASCII码的二进制数据。

3、十六进制接收 以及字符串到十六进制数的转换

  • 1、发送端的数据格式为十六进制数
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  unsigned long i = 0x30315A7A;		// 4字节，32位
  char ByteSend[4] = {0};			// 也可以是 int ByteSend[4] = {0};
  ByteSend[0] = (i >> 24) & 0xFF;	// 0x30，右移后 与操作，得到一个字节（8位）
  ByteSend[1] = (i >> 16) & 0xFF;	// 0x31
  ByteSend[2] = (i >> 8) & 0xFF;	// 0x5A
  ByteSend[3] = i & 0xFF;			// 0x7A
  for(int n = 0; n < 4; ++n){
    Serial.write(ByteSend[n]);		// 发送一个字节（十六进制数对应的ASCII码）
    delay(50);
  }
}
十六进制接收30315A7A
实际传输数据00110000001100010101101001111010
ASCII对应字符01Zz
  • 2、发送端的数据格式为表示十六进制数的字符串
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  char i[] = "30315A7A";
  Serial.write(i); 	// 与 Serial.print(i) 等效 
}

若想以上代码一样，直接以字符串格式进行发送，ASCII 对应字符串虽然为 “30315A7A”，但是十六进制数却完全不同，而且传输了8个字节的数据（比十六进制多一倍），内容对比如下：

实际传输数据0011001100101111001100110011000100110101010000010011011101000001
十六进制接收3330333135413741
ASCII对应字符30315A7A

因此，需要先将字符串转换为十六进制数，再通过串口以字节形式进行发送。

// StrToHex 将字符串转化为对应的十六进制数， pbDest为传出参数， pbSrc为待转换字符串， nLen为字符串长度的一半
// 实质就是以两个字符作为一个字节的高低位，找到这个字节代表的十六进制数在ASCII码中对应的一个字符
void StrToHex(char *pbDest, char *pbSrc, int nLen)
{
  char h1,h2;
  unsigned char s1,s2;
  int i;
  for (i=0; i<nLen; i++)
    {
      h1 = pbSrc[2*i];    // 一个字节高四位
      h2 = pbSrc[2*i+1];  // 一个字节低四位
      s1 = toupper(h1) - 0x30;  // toupper(h1) 转换为大写字母，数字时则不变
      if (s1 > 9) s1 -= 7;      // h1非数字, ASCII中 9至A中间隔了7个符号
      s2 = toupper(h2) - 0x30;
      if (s2 > 9) s2 -= 7;
      pbDest[i] = s1*16 + s2;
      // 对于"30", s1=3, s2=0, s1*16+s2 = 48 = 0x30 = '0'
      // 对于"5A", h1=0x35, h2=0x41, s1=5, s2=10, s1*16+s2 = 90 = 0x5A = 'Z'
    }
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  char i[9] = "30315A7A";
  char out[4] = {0};
  memset(out, 0 ,sizeof(out));
  StrToHex(out, i, 4);  // 字符串到十六进制"30315A7A" -> "01Zz"
  for(int n = 0; n < sizeof(out); ++n){
    Serial.write(out[n]);
  }
  // 以上过程等效于 Serial.print("01Zz");
  Serial.print("01Zz");
}

StrToHex 将字符串转化为对应的十六进制数， pbDest为传出参数， pbSrc为待转换字符串， nLen为字符串长度的一半。

实质就是以两个字符作为一个字节的高低位，找到这个字节代表的十六进制数在ASCII码中对应的一个字符；

对于 “30” ,
h1 = 0x33 = ‘3’, h2 = 0x30 = ‘0’,
s1 = 3 = 0x3, s2 = 0 = 0x0,
s1 * 16 + s2 = 48 = 0x30 = ‘0’

对于 “5A”,
h1 = 0x35 = ‘5’, h2 = 0x41 = ‘A’,
s1 = 0x35 - 0x30 = 5 = 0x5, s2= 0x41 - 0x30 - 7 = 10 = 0xA, （ASCII中 9 至 A 中间隔了7个符号）
s1 * 16 + s2 = 90 = 0x5A = ‘Z’.

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