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，進行串口監(jiān)聽收發(fā)的簡單工具，大多都和下位機有關，這就需要關心我們的通訊協(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?；谶@2點規(guī)則，我們一個通訊協(xié)議應該是這樣的：頭+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)正文+校驗

例如：AA 44 05 01 02 03 04 05 EA

這里我假設的一條數(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： EA

一般數(shù)據(jù)的校驗，都會采用常用的方式，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)機制或是加入數(shù)據(jù)恢復算法，在校驗后根據(jù)前面數(shù)據(jù)添加恢復字節(jié)流以恢復數(shù)據(jù)。我這里采用的是簡單的異或校驗，包含數(shù)據(jù)頭的所有字節(jié)，依次異或得到的。

協(xié)議很簡單，我也認為分析協(xié)議是很簡單的事情，下面我們就如何分析協(xié)議來實際的結合c#看一下。

er…再等等，在我們實際開始編碼之前，還有一個規(guī)則需要了解，我們有了通訊協(xié)議，如何結合串口的協(xié)議來分析，需要關心什么呢？哦。一般就是4個問題：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。

如果分的更詳細一點，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)組的操作比較復雜，當你使用完一條數(shù)據(jù)后，用過的需要移除；新數(shù)據(jù)如果過多的時候，緩存過大需要清理；數(shù)據(jù)搬移等等，很有可能一個不小心就會丟數(shù)據(jù)導致軟件出些莫名其妙的小問題。個人建議，使用List<byte>，內部是數(shù)組方式實現(xiàn)，每次數(shù)據(jù)不足夠的時候會擴容1倍，數(shù)據(jù)的增刪改都已經做的很完善了。不會出現(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？就我們例子的這個協(xié)議，首先在緩存的數(shù)據(jù)中找AA 44，當我們找到后，探測后面的字節(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，減少時間消耗，如果剩余數(shù)據(jù)>=6個（包含1個字節(jié)的校驗），我們就算一個校驗，看和最后的校驗是否一致。

分析數(shù)據(jù)：鑒于網絡的開放性，我無法確定讀者對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）讀取并轉換為對應的變量。c++下使用memcpy，或直接類型轉換后進行值拷貝，vb6下使用CopyMemory這個api。

校驗：前面說過了。完整性判斷的時候需要和校驗對比，大多系統(tǒng)都不太嚴格，不支持重發(fā)，所以數(shù)據(jù)錯誤就直接丟棄。導致數(shù)據(jù)錯誤的原因很多，比如電磁干擾導致數(shù)據(jù)不完整或錯誤、硬件驅動效率不夠導致數(shù)據(jù)丟失、我們的軟件緩存出錯等。這些軟件因素數(shù)據(jù)系統(tǒng)錯誤，需要修改，但是電磁干擾么，有這個可能的。雖然很少。

其實我知道，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))

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的創(chuàng)建，定義到外面。
private long received_count = 0;//接收計數(shù)
private long send_count = 0;//發(fā)送計數(shù)
private bool Listening = false;//是否沒有執(zhí)行完invoke相關操作
private bool Closing = false;//是否正在關閉串口，執(zhí)行Application.DoEvents，并阻止再次invoke
private List<byte> buffer = new List<byte>(4096);//默認分配1頁內存，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對象
comm.NewLine = "/r/n";
comm.RtsEnable = true;//根據(jù)實際情況吧。
//添加事件注冊
comm.DataReceived += comm_DataReceived;
}
void comm_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
if (Closing) return;//如果正在關閉，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;//設置標記，說明我已經開始處理數(shù)據(jù)，一會兒要使用系統(tǒng)UI的。
int n = comm.BytesToRead;//先記錄下來，避免某種原因，人為的原因，操作幾次之間時間長，緩存不一致
byte[] buf = new byte[n];//聲明一個臨時數(shù)組存儲當前來的串口數(shù)據(jù)
received_count += n;//增加接收計數(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（1字節(jié)）
{
//請不要擔心使用>=，因為>=已經和>,<,=一樣，是獨立操作符，并不是解析成>和=2個符號
//2.1 查找數(shù)據(jù)頭
if (buffer[0] == 0xAA && buffer[1] == 0x44)
{
//2.2 探測緩存數(shù)據(jù)是否有一條數(shù)據(jù)的字節(jié)，如果不夠，就不用費勁的做其他驗證了
//前面已經限定了剩余長度>=4，那我們這里一定能訪問到buffer[2]這個長度
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)不夠的時候什么都不做
//這里確保數(shù)據(jù)長度足夠，數(shù)據(jù)頭標志找到，我們開始計算校驗
//2.3 校驗數(shù)據(jù)，確認數(shù)據(jù)正確
//異或校驗，逐個字節(jié)異或得到校驗碼
byte checksum = 0;
for (int i = 0; i < len + 3; i++)//len+3表示校驗之前的位置
{
checksum ^= buffer[i];
}
if (checksum != buffer[len + 3]) //如果數(shù)據(jù)校驗失敗，丟棄這一包數(shù)據(jù)
{
buffer.RemoveRange(0, len + 4);//從緩存中刪除錯誤數(shù)據(jù)
continue;//繼續(xù)下一次循環(huán)
}
//至此，已經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)你已經處理不及時
//了，就不要浪費更多時間了，這也是考慮到系統(tǒng)負載能夠降低。
buffer.CopyTo(0, binary_data_1, 0, len + 4);//復制一條完整數(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; }));
}
//如果需要別的協(xié)議，只要擴展這個data_n_catched就可以了。往往我們協(xié)議多的情況下，還會包含數(shù)據(jù)編號，給來的數(shù)據(jù)進行
//編號，協(xié)議優(yōu)化后就是：頭+編號+長度+數(shù)據(jù)+校驗
//</協(xié)議解析>
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
builder.Clear();//清除字符串構造器的內容
//因為要訪問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進制字符串
foreach (byte b in buf)
{
builder.Append(b.ToString("X2") + " ");
}
}
else
{
//直接按ASCII規(guī)則轉換成字符串
builder.Append(Encoding.ASCII.GetString(buf));
}
//追加的形式添加到文本框末端，并滾動到最后。
this.txGet.AppendText(builder.ToString());
//修改接收計數(shù)
labelGetCount.Text = "Get:" + received_count.ToString();
}));
}
finally
{
Listening = false;//我用完了，ui可以關閉串口了。
}
}
private void buttonOpenClose_Click(object sender, EventArgs e)
{
//根據(jù)當前串口對象，來判斷操作
if (comm.IsOpen)
{
Closing = true;
while (Listening) Application.DoEvents();
//打開時點擊，則關閉串口
comm.Close();
}
else
{
//關閉時點擊，則設置好端口，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)建一個新的comm對象，之前的不能用了。
comm = new SerialPort();
//現(xiàn)實異常信息給客戶。
MessageBox.Show(ex.Message);
}
}
//設置按鈕的狀態(tài)
buttonOpenClose.Text = comm.IsOpen ? "Close" : "Open";
buttonSend.Enabled = comm.IsOpen;
}
//動態(tài)的修改獲取文本框是否支持自動換行。
private void checkBoxNewlineGet_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)
{
txGet.WordWrap = checkBoxNewlineGet.Checked;
}
private void buttonSend_Click(object sender, EventArgs e)
{
//定義一個變量，記錄發(fā)送了幾個字節(jié)
int n = 0;
//16進制發(fā)送
if (checkBoxHexSend.Checked)
{
//我們不管規(guī)則了。如果寫錯了一些，我們允許的，只用正則得到有效的十六進制數(shù)
MatchCollection mc = Regex.Matches(txSend.Text, @"(?i)[/da-f]{2}");
List<byte> buf = new List<byte>();//填充到這個臨時列表中
//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)
{
//復位接受和發(fā)送的字節(jié)數(shù)計數(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標簽顯示出你的數(shù)據(jù)內容，我們現(xiàn)在是直接顯示為：

01 02 03 04 05

也就是數(shù)據(jù)段內容。

運行截圖：

請注意紅色部分

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

我們在回顧一下，一般二進制格式數(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，然后分析。

分析方式很多。結合各自實際情況操作，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，希望經驗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，我暫時沒有線，沒有測試成功，改天測試后再公布結果。

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，任何一個環(huán)節(jié)頻繁耗時過長，都會造成數(shù)據(jù)的堆積。文章只假設都不拖時間的情況。

謝謝觀賞，通訊協(xié)議分析系列，未完待續(xù)……

2010示例代碼

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