嵌入式平台如何从数据流中提取一帧数据？

通过实例来说明问题：

A作为主机(上位机软件)，B作为从机（STM32）硬件和电机连接，A和B之间通过串口通讯，使A能间接的控制电机正反转，速度等。

协议初定：

问题一：怎么判断帧数据开始信息？

通过定义一个固定的帧头，作为数据开始信号。记为0x01。

问题二：如何判断帧的长度？

帧的长度可以选择固定长度或可变长度。固定长度逻辑简单，检测到帧头后，往后读取固定的长度即可。可变长度灵活度高，一帧数据可以携带更多的信息量。那么可以在帧头后增加一个字节作为长度，记为0xXX，以便从机判断帧长。

问题三：数据格式？

数据格式按需编写，这里用16bit功能+16bit数据的方式。一组数据共4个字节。

问题四：如何校验帧完整性？

可以用两种方式： 1、增加帧尾作为数据结束标志，验证帧尾就知道数据是否完整。但是存在数据=帧尾、通讯异常的情况，这时候可能提取到了错误的数据。 2、采用通用校验方式，工业控制一般使用CRC16-MODBUS。这里增加两个字节作为检验码。这种方式可以保证数据不会出错。

至此：我们可以将通讯协议制定下来：

帧头帧长功能1数据1功能2数据2功能…数据…CRC16高位CRC16低位0x01len0xXX0xXX0xXX0xXX0xXX0xXXCRC_HCRC_L

在理想状态下，从机在串口中断里面判断帧头，然后循环往后读取len长度的字节到数组里面去，最后验证一下CRC是否一致即可。 但实际使用往往面对更复杂的情形：

问题五：如果一帧数据没有提取完成，下一帧数据又过来了怎么处理？

这个问题其实就是要解决两件事情：什么时候接收数据？什么时候处理数据？ 假设提取数据的函数为：UserExtractFrameData();该函数执行时间为1us。 那么由简入繁看看几种方式：

1、中断接收中断处理。(弊端太明显不再赘述) 2、中断保存到buff，中断外处理buff，处理完后buff清空。

uint8_t RecvBuff[50]; uint8_t RecvIndex=0; void USART1_IRQHandler(void) //串口1中断服务函数 { if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) { RecvIndex ++; RecvBuff[RecvIndex] = (uint8_t)USART_ReceiveData(USART1); USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE); } } void UserExtractFrameData() { if(RecvIndex > FRAME_LEN) { ... RecvIndex = 0; } }

当传输速率>UserExtractFrameData()处理速度时，必然会导致丢数据。因为RecvIndex被清0了，这篇文章重点不是这个，这里不再赘述。

3、使用环形缓冲区。 环形缓冲区原理网上能找到很多，具体实现方式可以看这里 C环形缓冲区实现

使用环形缓冲区就可以很好的解决这个问题，将接收和处理彻底解耦，接收数据自动填入缓冲区，处理数据自动从缓冲区读取数据。当瞬间传输速率很大时，数据被保存到缓冲区不会丢失，等到传输空闲时就有足够的时间去处理。

void USART1_IRQHandler(void) //串口1中断服务程序 { u8 temp; if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) { temp =USART_ReceiveData(USART1); RingBuffWriteByte(temp); USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE); } } void UserExtractFrameData() { uint8_t len = RingBuffGetLength() if(len > FRAME_LEN) { RingBuffReadData(len,buff); .... } }

至此通过CRC和缓冲区，我们已经可以保证数据的完整性和正确性了，只需要从缓冲区拿数据出来比对协议就可以了。

那么接下来再分析一下更加复杂的情形：

问题六：假如主机采用的是一对多的方式，那么必然有大量的无效数据和类似数据，如何处理？

处理方式有很多，这里推荐一种字节流的处理方式。 处理思路：从缓冲区复制一个字节，如果是帧头，继续复制一个字节判断长度n，然后继续往后复制一个字节，判断是否是正确的功能码，再然后继续往后复制n个字节，直到判断CRC是否通过。只要遇到错误就读取帧头不处理即可。 无论主机发送多少数据，内存消耗只是环形缓冲区大小+有效数据大小。未检测到帧头前，处理速度>传输速率，所以环形缓冲区的大小可以不用设很大。但是有一种极端情况，就是主机发送的数据含有大量的帧头，且帧头后的功能码检测也是通过的，那就没救了，只能增大缓冲区大小。 经过验证可以高效率提取有效数据。3KB字节中提取最长32byte的有效数据，时间消耗100ms~220ms左右，主要是传输过程占用的时间。内存消耗仅100+32byte。 因为是给别人做的项目，这部分代码就不贴了~

问题七：假设数据长度较长，传输时间>>1us，传输数据到一半时，进入了处理数据的函数，处理函数由于没有接收到len长度的数据而判断为数据不完整错误，如何处理？

这个问题很好解决，我们可以再增加一个缓冲区pbuff[]，先将数据搬到pbuff，直到接收到了len长度的数据，再去处理pbuff即可。 但这不是最好的解决方法，假如数据大小是1KB，那么环形缓冲区大小需要>1KB，再来一个pbuff也需要1KB内存，增加了一倍内存消耗。 因此在C环形缓冲区实现这里，我增加两个接口 uint8_t RingBuffCopyByte(uint8_t *pdata); uint8_t RingBuffCopyData(uint8_t len, uint8_t *pdata); 处理函数将环形缓冲区数据复制到内部进行处理，处理结束后才会读掉n个字节，缺点是程序执行时间有所增大。