C# 串口二進(jìn)制協(xié)議數(shù)據(jù)解析范例
2018/12/26??????點(diǎn)擊：
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。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)議很簡單，我也認(rèn)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(shí)際的結(jié)合c#看一下。
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，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*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。
下面是支持協(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)))
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)議很簡單，我也認(rèn)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(shí)際的結(jié)合c#看一下。
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，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*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。
下面是支持協(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)))
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 Listbuffer = new List(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
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*后一組，只分析*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)
//
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
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*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，我們允許的，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}");
Listbuf = new List();//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，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
也就是實(shí)際的數(shù)據(jù)段內(nèi)容。
我們在回顧一下，一般二進(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。
DataReceived事件中，*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。本文只假設(shè)都不拖時(shí)間的情況。各位小朋友, 希望本文對(duì)您有幫助, 感謝關(guān)注WONGLOVE!
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