C# 串口操作系列(3)

newencn 2012-02-07

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我們的串口程序,，除了通用的，進(jìn)行串口監(jiān)聽收發(fā)的簡(jiǎn)單工具，大多都和下位機(jī)有關(guān),，這就需要關(guān)心我們的通訊協(xié)議如何緩存,，分析，以及通知界面,。

我們先說一下通訊協(xié)議,。通訊協(xié)議就是通訊雙方共同遵循的一套規(guī)則，定義協(xié)議的原則是盡可能的簡(jiǎn)單以提高傳輸率,，盡可能的具有安全性保證數(shù)據(jù)傳輸完整正確,。基于這2點(diǎn)規(guī)則,，我們一個(gè)通訊協(xié)議應(yīng)該是這樣的：頭+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)正文+校驗(yàn)

例如：AA 44 05 01 02 03 04 05 EA

這里我假設(shè)的一條數(shù)據(jù),，協(xié)議如下：

數(shù)據(jù)頭： AA 44

數(shù)據(jù)長度： 05

數(shù)據(jù)正文： 01 02 03 04 05

校驗(yàn)： EA

一般數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，都會(huì)采用常用的方式,，CRC16,CRC32,Xor,。

有的數(shù)據(jù)安全要求高的，不允許丟包的,，可能還要加入重發(fā)機(jī)制或是加入數(shù)據(jù)恢復(fù)算法,，在校驗(yàn)后根據(jù)前面數(shù)據(jù)添加恢復(fù)字節(jié)流以恢復(fù)數(shù)據(jù)。我這里采用的是簡(jiǎn)單的異或校驗(yàn),，包含數(shù)據(jù)頭的所有字節(jié),，依次異或得到的。

協(xié)議很簡(jiǎn)單,，我也認(rèn)為分析協(xié)議是很簡(jiǎn)單的事情,，下面我們就如何分析協(xié)議來實(shí)際的結(jié)合c#看一下。

er…再等等,，在我們實(shí)際開始編碼之前,，還有一個(gè)規(guī)則需要了解，我們有了通訊協(xié)議,，如何結(jié)合串口的協(xié)議來分析,，需要關(guān)心什么呢？哦,。一般就是4個(gè)問題：緩存收到的所有數(shù)據(jù),，找到一條完整數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù),，界面通知,。

如果分的更詳細(xì)一點(diǎn)，緩存收到的所有數(shù)據(jù),，我們想到最高效的辦法就是順序表,，也就是數(shù)組,，但數(shù)組的操作比較復(fù)雜，當(dāng)你使用完一條數(shù)據(jù)后,，用過的需要移除,；新數(shù)據(jù)如果過多的時(shí)候，緩存過大需要清理,；數(shù)據(jù)搬移等等,，很有可能一個(gè)不小心就會(huì)丟數(shù)據(jù)導(dǎo)致軟件出些莫名其妙的小問題。個(gè)人建議,，使用List<byte>,，內(nèi)部是數(shù)組方式實(shí)現(xiàn)，每次數(shù)據(jù)不足夠的時(shí)候會(huì)擴(kuò)容1倍,，數(shù)據(jù)的增刪改都已經(jīng)做的很完善了,。不會(huì)出現(xiàn)什么小問題。

找到一條完整數(shù)據(jù),，如何找到完整數(shù)據(jù)呢,？就我們例子的這個(gè)協(xié)議，首先在緩存的數(shù)據(jù)中找AA 44,，當(dāng)我們找到后,，探測(cè)后面的字節(jié)，發(fā)現(xiàn)是05,，然后看緩存剩下的數(shù)據(jù)是否足夠,，不足夠就不用判斷，減少時(shí)間消耗,，如果剩余數(shù)據(jù)>=6個(gè)（包含1個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)）,，我們就算一個(gè)校驗(yàn)，看和最后的校驗(yàn)是否一致,。

分析數(shù)據(jù)：鑒于網(wǎng)絡(luò)的開放性,，我無法確定讀者對(duì)c#的了解程度，介紹一下,，常用的方式就是BitConvert.ToInt32這一系列的方法,，把連續(xù)的字節(jié)（和變量長度一樣）讀取并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的變量。c++下使用memcpy,，或直接類型轉(zhuǎn)換后進(jìn)行值拷貝,，vb6下使用CopyMemory這個(gè)api。

校驗(yàn)：前面說過了,。完整性判斷的時(shí)候需要和校驗(yàn)對(duì)比,，大多系統(tǒng)都不太嚴(yán)格，不支持重發(fā),，所以數(shù)據(jù)錯(cuò)誤就直接丟棄,。導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的原因很多,，比如電磁干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整或錯(cuò)誤、硬件驅(qū)動(dòng)效率不夠?qū)е聰?shù)據(jù)丟失,、我們的軟件緩存出錯(cuò)等。這些軟件因素?cái)?shù)據(jù)系統(tǒng)錯(cuò)誤,，需要修改,，但是電磁干擾么，有這個(gè)可能的,。雖然很少,。

其實(shí)我知道，就算是我,，看別人的博客也是,，喜歡看圖片，看代碼,，文字性的東西,，一看就頭大。那我接下來貼出基于上一篇文章的改進(jìn)版本,，支持協(xié)議分析（協(xié)議不能配置,，可配置的協(xié)議不是我們討論的范疇?？梢钥纯从蠨FA(確定性有限狀態(tài)機(jī)))

我們修改一下界面,，以便能顯示收到后分析的數(shù)據(jù)

紅色部分是新增的

代碼如下：

[c-sharp] view plain copy ?

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using System.IO.Ports;
using System.Text.RegularExpressions;
namespace SerialportSample
{
public partial class SerialportSampleForm : Form
{
private SerialPort comm = new SerialPort();
private StringBuilder builder = new StringBuilder();//避免在事件處理方法中反復(fù)的創(chuàng)建，定義到外面,。
private long received_count = 0;//接收計(jì)數(shù)
private long send_count = 0;//發(fā)送計(jì)數(shù)
private bool Listening = false;//是否沒有執(zhí)行完invoke相關(guān)操作
private bool Closing = false;//是否正在關(guān)閉串口,，執(zhí)行Application.DoEvents，并阻止再次invoke
private List<byte> buffer = new List<byte>(4096);//默認(rèn)分配1頁內(nèi)存,，并始終限制不允許超過
private byte[] binary_data_1 = new byte[9];//AA 44 05 01 02 03 04 05 EA
public SerialportSampleForm()
{
InitializeComponent();
}
//窗體初始化
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
//初始化下拉串口名稱列表框
string[] ports = SerialPort.GetPortNames();
Array.Sort(ports);
comboPortName.Items.AddRange(ports);
comboPortName.SelectedIndex = comboPortName.Items.Count > 0 ? 0 : -1;
comboBaudrate.SelectedIndex = comboBaudrate.Items.IndexOf("19200");
//初始化SerialPort對(duì)象
comm.NewLine = "/r/n";
comm.RtsEnable = true;//根據(jù)實(shí)際情況吧,。
//添加事件注冊(cè)
comm.DataReceived += comm_DataReceived;
}
void comm_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
if (Closing) return;//如果正在關(guān)閉，忽略操作,，直接返回,，盡快的完成串口監(jiān)聽線程的一次循環(huán)
try
{
Listening = true;//設(shè)置標(biāo)記，說明我已經(jīng)開始處理數(shù)據(jù),，一會(huì)兒要使用系統(tǒng)UI的,。
int n = comm.BytesToRead;//先記錄下來，避免某種原因,，人為的原因,，操作幾次之間時(shí)間長，緩存不一致
byte[] buf = new byte[n];//聲明一個(gè)臨時(shí)數(shù)組存儲(chǔ)當(dāng)前來的串口數(shù)據(jù)
received_count += n;//增加接收計(jì)數(shù)
comm.Read(buf, 0, n);//讀取緩沖數(shù)據(jù)
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//<協(xié)議解析>
bool data_1_catched = false;//緩存記錄數(shù)據(jù)是否捕獲到
//1.緩存數(shù)據(jù)
buffer.AddRange(buf);
//2.完整性判斷
while (buffer.Count >= 4)//至少要包含頭（2字節(jié)）+長度（1字節(jié)）+校驗(yàn)（1字節(jié)）
{
//請(qǐng)不要擔(dān)心使用>=,，因?yàn)?gt;=已經(jīng)和>,<,=一樣,，是獨(dú)立操作符,，并不是解析成>和=2個(gè)符號(hào)
//2.1 查找數(shù)據(jù)頭
if (buffer[0] == 0xAA && buffer[1] == 0x44)
{
//2.2 探測(cè)緩存數(shù)據(jù)是否有一條數(shù)據(jù)的字節(jié)，如果不夠,，就不用費(fèi)勁的做其他驗(yàn)證了
//前面已經(jīng)限定了剩余長度>=4,，那我們這里一定能訪問到buffer[2]這個(gè)長度
int len = buffer[2];//數(shù)據(jù)長度
//數(shù)據(jù)完整判斷第一步，長度是否足夠
//len是數(shù)據(jù)段長度,4個(gè)字節(jié)是while行注釋的3部分長度
if (buffer.Count < len + 4) break;//數(shù)據(jù)不夠的時(shí)候什么都不做
//這里確保數(shù)據(jù)長度足夠,，數(shù)據(jù)頭標(biāo)志找到,，我們開始計(jì)算校驗(yàn)
//2.3 校驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)數(shù)據(jù)正確
//異或校驗(yàn),，逐個(gè)字節(jié)異或得到校驗(yàn)碼
byte checksum = 0;
for (int i = 0; i < len + 3; i++)//len+3表示校驗(yàn)之前的位置
{
checksum ^= buffer[i];
}
if (checksum != buffer[len + 3]) //如果數(shù)據(jù)校驗(yàn)失敗,，丟棄這一包數(shù)據(jù)
{
buffer.RemoveRange(0, len + 4);//從緩存中刪除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)
continue;//繼續(xù)下一次循環(huán)
}
//至此，已經(jīng)被找到了一條完整數(shù)據(jù),。我們將數(shù)據(jù)直接分析,，或是緩存起來一起分析
//我們這里采用的辦法是緩存一次，好處就是如果你某種原因,，數(shù)據(jù)堆積在緩存buffer中
//已經(jīng)很多了,，那你需要循環(huán)的找到最后一組，只分析最新數(shù)據(jù),，過往數(shù)據(jù)你已經(jīng)處理不及時(shí)
//了,，就不要浪費(fèi)更多時(shí)間了，這也是考慮到系統(tǒng)負(fù)載能夠降低,。
buffer.CopyTo(0, binary_data_1, 0, len + 4);//復(fù)制一條完整數(shù)據(jù)到具體的數(shù)據(jù)緩存
data_1_catched = true;
buffer.RemoveRange(0, len + 4);//正確分析一條數(shù)據(jù),，從緩存中移除數(shù)據(jù)。
}
else
{
//這里是很重要的,，如果數(shù)據(jù)開始不是頭,，則刪除數(shù)據(jù)
buffer.RemoveAt(0);
}
}
//分析數(shù)據(jù)
if (data_1_catched)
{
//我們的數(shù)據(jù)都是定好格式的，所以當(dāng)我們找到分析出的數(shù)據(jù)1,，就知道固定位置一定是這些數(shù)據(jù),，我們只要顯示就可以了
string data = binary_data_1[3].ToString("X2") + " " + binary_data_1[4].ToString("X2") + " " +
binary_data_1[5].ToString("X2") + " " + binary_data_1[6].ToString("X2") + " " +
binary_data_1[7].ToString("X2");
//更新界面
this.Invoke((EventHandler)(delegate { txData.Text = data; }));
}
//如果需要?jiǎng)e的協(xié)議，只要擴(kuò)展這個(gè)data_n_catched就可以了,。往往我們協(xié)議多的情況下,，還會(huì)包含數(shù)據(jù)編號(hào)，給來的數(shù)據(jù)進(jìn)行
//編號(hào),，協(xié)議優(yōu)化后就是：頭+編號(hào)+長度+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)
//</協(xié)議解析>
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
builder.Clear();//清除字符串構(gòu)造器的內(nèi)容
//因?yàn)橐L問ui資源,，所以需要使用invoke方式同步ui。
this.Invoke((EventHandler)(delegate
{
//判斷是否是顯示為16禁止
if (checkBoxHexView.Checked)
{
//依次的拼接出16進(jìn)制字符串
foreach (byte b in buf)
{
builder.Append(b.ToString("X2") + " ");
}
}
else
{
//直接按ASCII規(guī)則轉(zhuǎn)換成字符串
builder.Append(Encoding.ASCII.GetString(buf));
}
//追加的形式添加到文本框末端,，并滾動(dòng)到最后,。
this.txGet.AppendText(builder.ToString());
//修改接收計(jì)數(shù)
labelGetCount.Text = "Get:" + received_count.ToString();
}));
}
finally
{
Listening = false;//我用完了，ui可以關(guān)閉串口了,。
}
}
private void buttonOpenClose_Click(object sender, EventArgs e)
{
//根據(jù)當(dāng)前串口對(duì)象,，來判斷操作
if (comm.IsOpen)
{
Closing = true;
while (Listening) Application.DoEvents();
//打開時(shí)點(diǎn)擊,，則關(guān)閉串口
comm.Close();
}
else
{
//關(guān)閉時(shí)點(diǎn)擊，則設(shè)置好端口,，波特率后打開
comm.PortName = comboPortName.Text;
comm.BaudRate = int.Parse(comboBaudrate.Text);
try
{
comm.Open();
}
catch(Exception ex)
{
//捕獲到異常信息,，創(chuàng)建一個(gè)新的comm對(duì)象，之前的不能用了,。
comm = new SerialPort();
//現(xiàn)實(shí)異常信息給客戶,。
MessageBox.Show(ex.Message);
}
}
//設(shè)置按鈕的狀態(tài)
buttonOpenClose.Text = comm.IsOpen ? "Close" : "Open";
buttonSend.Enabled = comm.IsOpen;
}
//動(dòng)態(tài)的修改獲取文本框是否支持自動(dòng)換行。
private void checkBoxNewlineGet_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)
{
txGet.WordWrap = checkBoxNewlineGet.Checked;
}
private void buttonSend_Click(object sender, EventArgs e)
{
//定義一個(gè)變量,，記錄發(fā)送了幾個(gè)字節(jié)
int n = 0;
//16進(jìn)制發(fā)送
if (checkBoxHexSend.Checked)
{
//我們不管規(guī)則了。如果寫錯(cuò)了一些,，我們?cè)试S的,，只用正則得到有效的十六進(jìn)制數(shù)
MatchCollection mc = Regex.Matches(txSend.Text, @"(?i)[/da-f]{2}");
List<byte> buf = new List<byte>();//填充到這個(gè)臨時(shí)列表中
//依次添加到列表中
foreach (Match m in mc)
{
buf.Add(byte.Parse(m.Value, System.Globalization.NumberStyles.HexNumber));
}
//轉(zhuǎn)換列表為數(shù)組后發(fā)送
comm.Write(buf.ToArray(), 0, buf.Count);
//記錄發(fā)送的字節(jié)數(shù)
n = buf.Count;
}
else//ascii編碼直接發(fā)送
{
//包含換行符
if (checkBoxNewlineSend.Checked)
{
comm.WriteLine(txSend.Text);
n = txSend.Text.Length + 2;
}
else//不包含換行符
{
comm.Write(txSend.Text);
n = txSend.Text.Length;
}
}
send_count += n;//累加發(fā)送字節(jié)數(shù)
labelSendCount.Text = "Send:" + send_count.ToString();//更新界面
}
private void buttonReset_Click(object sender, EventArgs e)
{
//復(fù)位接受和發(fā)送的字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器并更新界面。
send_count = received_count = 0;
labelGetCount.Text = "Get:0";
labelSendCount.Text = "Send:0";
}
}
}

至此,，你只要按這個(gè)協(xié)議格式發(fā)送數(shù)據(jù)到軟件打開的串口,。就能在數(shù)據(jù)的data標(biāo)簽顯示出你的數(shù)據(jù)內(nèi)容，我們現(xiàn)在是直接顯示為：

01 02 03 04 05

也就是數(shù)據(jù)段內(nèi)容,。

運(yùn)行截圖：

請(qǐng)注意紅色部分

發(fā)送模擬數(shù)據(jù)的界面,，使用通用工具SSCOMM32.exe

sscomm32.exe 發(fā)送模擬數(shù)據(jù)的界面

我們?cè)诨仡櫼幌拢话愣M(jìn)制格式數(shù)據(jù)就是這樣分析,，分析數(shù)據(jù)長度是否足夠,，找到數(shù)據(jù)頭，數(shù)據(jù)長度,，校驗(yàn),，然后分析。

分析方式很多,。結(jié)合各自實(shí)際情況操作,，可以使用序列化方式，但是wince不支持,，也可以用BitConvert方式將連續(xù)的字節(jié)讀取為某個(gè)類型的變量,。

希望看到這里，能給你帶來幫助,，歡迎大家和我討論,，希望經(jīng)驗(yàn)豐富的朋友不吝賜教。上一篇中,，有朋友說用BeginInvoke可以避免死鎖問題,，我暫時(shí)沒有線，沒有測(cè)試成功,，改天測(cè)試后再公布結(jié)果,。

DataReceived事件中,，最高效的做法是指緩存數(shù)據(jù)，然后異步的去分析數(shù)據(jù),。但是,，這樣較復(fù)雜，在效率要求不是很高的情況下（大多數(shù)情況）,，可以在DataReceived事件中緩存數(shù)據(jù)后,，立刻進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢查，有效性檢查,，分析數(shù)據(jù),，以及更新界面。但這么做有一個(gè)隱患,，底層串口操作的效率依賴于數(shù)據(jù)分析和界面更新,，任何一個(gè)環(huán)節(jié)頻繁耗時(shí)過長，都會(huì)造成數(shù)據(jù)的堆積,。文章只假設(shè)都不拖時(shí)間的情況,。

謝謝觀賞，通訊協(xié)議分析系列,，未完待續(xù)……

2010示例代碼

2008示例代碼

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