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STM32外设学习-串口数据包笔记-（数据包的了解）

news 2025/11/14 8:16:22

我们上次的博客完成了单字节的数据发送，然后我们来了解一下数据包。

一.数据包解释

首先，要明确一个概念：“HEX数据包”并不是一个官方的协议，而是一种常见的实践。它指的是我们将要发送的数据，以其原始的二进制字节形式（通常用十六进制，即HEX表示）进行传输，而不是转换成ASCII字符。例如，发送一个0x41，在接收端看到的就是一个字节0x41，而不是字符'A'和'1'两个ASCII码。

一个完整的、可靠的HEX数据包通常包含以下几个部分：

组成部分	示例 (HEX)	说明
包头	`AA FF`	固定值，用于标识一个数据包的开始，接收方靠它来同步。
包长	`00 08`	指示数据包有效数据的长度，方便接收方解析。
有效数据	`01 02 03 04`	实际需要传输的信息。
校验和	`0A`	用于检查数据在传输过程中是否出错，常见的有和校验、CRC校验等。
包尾	`55 EE`	(可选) 固定值，进一步辅助确认数据包结束。

1.发送流程（以状态机思路为例）

整个发送过程可以看作一个状态机，下面是其核心步骤：

1. 初始化配置

在发送任何数据之前，必须先对STM32的串口外设进行初始化。

使能时钟：开启USART和对应GPIO口的时钟。
GPIO配置：将指定的TX引脚配置为复用推挽输出模式，RX引脚配置为浮空输入或上拉/下拉输入模式。
USART参数配置：
- 波特率（例如 115200）
- 数据位（通常为8位）
- 停止位（通常为1位）
- 奇偶校验位（通常无）
- 硬件流控制（通常无）
使能USART：最后启动USART模块。

2. 构建数据包

在应用程序中，你需要根据你的协议来构造一个完整的数据包。

3. 发送数据包

构建好数据包后，就可以通过串口将其发送出去。STM32 HAL库提供了几种发送方式：

方法一：阻塞式发送 (HAL_UART_Transmit)

流程：CPU会一直等待，直到整个数据包发送完毕才会继续执行后续代码。
优点：代码简单，顺序执行，不易出错。
缺点：在发送期间CPU被挂起，无法处理其他任务，效率低

方法二：中断发送 (HAL_UART_Transmit_IT)

流程：
1. 调用函数启动发送。
2. CPU立即返回，继续执行主程序。
3. USART在后台一个字节一个字节地发送。
4. 当发送完指定数量的字节后，会触发发送完成中断。
5. 在中断回调函数 HAL_UART_TxCpltCallback 中，你可以进行下一步操作，例如释放缓冲区或标记发送完成。
优点：不阻塞CPU，效率高。
缺点：编程稍复杂，需要注意缓冲区的生命周期和中断的嵌套。

方法三：DMA发送 (HAL_UART_Transmit_DMA)

流程：
1. 配置DMA通道，将其与USART的发送数据寄存器连接。
2. 调用函数启动DMA发送。
3. CPU完全不用管，DMA控制器会自动将内存中的数据搬运到USART的发送寄存器。
4. 当整个数据包发送完毕后，DMA会触发传输完成中断。
优点：CPU占用率最低，效率最高，尤其适合发送大量数据或高频数据。
缺点：配置最为复杂，需要了解DMA控制器。

4.总结与选择

发送方式	适用场景	优点	缺点
阻塞式	简单应用、单任务、调试阶段	简单可靠	效率低，阻塞CPU
中断式	中等复杂度的多任务应用	效率较高，不阻塞主循环	编程稍复杂，有中断开销
DMA式	高速数据流、实时性要求高的系统	效率最高，极大解放CPU	配置复杂，需要额外DMA资源

核心流程再梳理：

初始化：配置好硬件。
打包：按照协议将数据、长度、校验等组合成一个字节数组。
发送：根据应用需求选择阻塞、中断或DMA方式将字节数组送出。
善后：在发送完成（特别是中断/DMA方式）后，进行必要的处理，如释放内存、设置标志位等。

二.数据包收发思路及流程

1.HEX数据包格式

（1）简介

首先数据包的作用是把一个个单独的数据打包起来。方便我们进行多字节的数据通讯，上次我们学习了如何发送一个字节，实际应用中要把一个字节打包为一个整体进行发送。比如说我们有一个陀螺仪传感器需要串口发送数据到STM32。

陀螺仪的数据，比如X轴一个字节，Y轴一个字节，Z轴一个字节。总共三个数据需要连续的发送比如XYZXYZXYZ，就会出现一个问题，比如说接收方并不知道哪个对应X，哪个对应Y，哪个对应Z。因为接收方会从任意位置接收所以会出现数据错位的现象。

这时候我们就需要研究一种方式把XYZ的数据进行分割，分成一个个数据包这样在接受时候就知道了。数据包第一个数据是X，第二个数据Y，第三个数据Z,这就是数据包的作用，把属于同一批的数据进行打包和分割。方便接收包进行识别

我们串口数据包通常就是添加包头包尾的模式，比如图片就列举了两种数据包的格式。

（2）固定包长，含包头包尾

固定包长，含包头包尾。也就是每个数据包的长度都固定不变，数据包前面是包头，后面是包尾。

（3）可变包长，含包头包尾

每歌数据包长度可以是不一样的。他们的数据包格式，可以是用户根据需求，自己规定，也可以是买个模块别的开发者规定的。

（4）思路

如图就是定义0xFF为包头，在四个字节之后加一个0xFE为包尾，那么当我接收到0xFF我就知道，一个数据包来了之后我在接收到的4个字节就当作数据包的第1，2，3，4个数据，存在一个数组里。最后跟一个包尾，当我收到0xFE之后，就可以置一个标志位，告诉程序，我收到了一个数据包。然后新的数据包过来，再重复之前的过程。这样就可以在一个连续不断的数据流中，分割出我们想要的数据包了。

这就是通过添加包头包尾实现数据分割打包的思路了。

2.问题研究

（1）包头包尾和数据载荷重复

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怎么办呢。

第一钟

我们可以限制载荷数据的范围，如果可以的话我们可以在数据发送的时候，对数据进行限幅比如：X，Y，Z三个数据，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

第二种

如果我们无法避免载荷数据和包头包尾重复，那么我们就尽量使用固定格式的数据包，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，哪个数据是应该是载荷数据，哪个数据应该是包头包尾。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确实是包头包尾呢，用于数据对齐。

第三种

增加包头包尾的数量，并且让他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）包头包尾并不是全部需要

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加上4个数据，这样子也是可以的，这样检测到FF，开始接收，收够四个字节后，置标志位，一个数据包接收完成这样也可以。不过这样子载荷和包头都是FF，那你肯定不知道哪个是包头了，而加上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）固定包长和可变包长的问题

对于HEX数据包来说，如果你的设备出现包头和包尾重复的情况，那就最好选择固定包长，这样可以避免数据错误，如果你又会重复又选择可变包长，那数据很容易乱套了，如果载荷和数据不会重复，那么就可以选择可变包长

（4）各种数据转换为数据流问题

这里数据包都是由一个一个字节组成的，如果你想发送16位整型数据，32位整型数据，float，double或结构体，都没有问题，因为他们内部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，把他们当作一个字节数组一起发送就行了

3.文本数据包

在hex数据包钟，数据都是以原始的字节数据本身呈现的，而在文本数据包里面，每个字节就经过了一系列的编码和译码。

最终显示的是文本数据，其实都是一个字节的hex数据。

这里同样给出了固定包长和可变包长两种模式。由于数据译码作为了字符的格式，那么就存在了大量的字符用来作为包头包尾。可以有效避免载荷和包头包尾重复的问题。

如图就是以@作为包头，以\r\n也就是换行，这两个字符作为包尾。在载荷数据中间，可以出现除了包头和包尾的任意字符，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。

当我们接收到载荷数据之后，得到的就是一个字符串，在软件中在对字符串进行操作和判断。姐可以使用各种指令控制功能了。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上，什么指令，什么数据一眼就看明白，所以文本数据包一般会以换行作为包尾，这样在打印的时候就可以一行一行打印了。

4.对比

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讯的陀螺仪，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，数据直接易理解，非常灵活，比较适合一些输入指令进行人机交互的场景，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。缺点就是，解析效率低，比如发送一个数100，HEX数据包就是一个字节100，文本数据包就得是三个字节的字符‘1’，‘0’，‘0’。收到之后还要把字符转换为数据才能得到100。

所以说我们要根据选择场景，来设计和选择数据包格式。

5.数据包收发流程

（1）数据包的发送

数据包的发送非常简单，就定义一个数组，填充数据，用上一次博客的sendarray已发送就完事了。文本数据包也很简单，写一个字符串然后调用sendstring就可以发送了。

（2）数据包的接收

接收就比较繁琐了，首先我们来看固定包长HEX的接受。

首先根据上一个博客的代码我们知道，每接受一个字节，程序就进入一个中断，在中断函数里我们可以拿到这个字节，拿到之后我们就需要退出中断。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，包头之后是数组，数据之后是包尾。

对于包头，数据，包尾这三种状态，我们都需要有不同的处理逻辑，所以在程序钟我们要设置一个，能记住不同状态的机制，在不同状态进行不同的操作，同时还要进行状态的合理转移，这种程序的思维就叫做状态机。

（3）状态机

在这里我们就使用状态机的方法来接受一个数据包。要想设计一个好的状态机程序，画一个好的状态图是有必要的。

对于这样一个固定包长HEX数据来说，我们可以定义三个状态，第一个状态是等待包头，第二个状态是接受数据，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。比如这里用变量S进行标志，三个状态依次为S=0，S=1，S=2。这一点用来置标志位，只不过标志位只有0和1.而状态机是多标志位的一种方式。

执行流程就是收到一个数据，进入中断，根据S=0，进入第一个状态的程序判断数是否为包头FF。如果是FF则代表收到包头，之后置S=1，退出中断结束，这样下次在进入中断根据S=1，就可以进入接受数据的程序了。

如果在第一个状态收到的不是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，这是状态仍然是0，下次进入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在接受数据，我们就直接把它存在数组钟，另外在用一个变量，记录收了多少个数据，如果没有收够四个数据那么就是一只是接受状态，如果收购了就置S=2，下次进入中断时候，就可以进入下一个状态了。

那么最后的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，当然这个数据也有可能不是F0比如和包头重复，导致包头位置判断错误了，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，直到收到真正的包尾，这样加入包尾的判断，更能预防因为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。

（4）使用步骤

就是先根据项目要求定义状态，画几个园，然后考虑好各个状态，会在什么情况下进行转移，如何转移，画好线和转移条件，最后根据这个图来编程，这样思维就会非常清晰了。

文本数据包同理。

只是在中间加入一个等待包尾的功能，因为是可变包长，我们接受数据的时候也要时刻监视，是不是接受到包尾了，一旦收到包尾就结束，这个状态的逻辑就是收到一个数据，判断是不是\r 如果不是的话，就正常接受，如果是的话，就不接受进入下一个状态，等待包尾\n。因为数据包有两个包尾\r\n所以还需要第三个状态，如果只有一个包尾，那么在包尾出现后，就可以直接回到初始状态了，只需要两个状态就行，因为接受数据和等待包尾，是在一个状态里进行，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受文本数据的方法。