• C# 串口二進製(zhì)協(xié)議數據解析範例

    2018/12/26      點擊:
    我們先說一(yī)下通訊協議。通訊協議就是(shì)通訊雙方共同遵循的一套規(guī)則,定義協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據傳輸完整正確。基(jī)於這2點規則,我們一個通訊協議應該是這樣的:頭+數據(jù)長度+數據正文+校驗
        例如:AA 44 05 01 02 03 04 05 EA
        這裏我假設的一(yī)條數據,協議如下:
        數據頭:     AA 44
        數據長度: 05
        數據正文: 01 02 03 04 05
        校驗:       EA
        一般數據的(de)校驗,都會(huì)采用常用(yòng)的方式,CRC16,CRC32,Xor。
        有的數據安全要求高的,不允許丟包的,可能還(hái)要加入重發機製或是加入數據(jù)恢複算法,在校驗後根據(jù)前麵數(shù)據添加恢(huī)複字節流以恢複(fù)數據。我這(zhè)裏采用的是簡單(dān)的異或校驗,包含數據頭的所有字(zì)節(jiē),依次異(yì)或得到的。
        協議很簡單,我也認為分(fèn)析(xī)協議是很簡單的事情,下麵我(wǒ)們就如何分析協議來實際(jì)的結合c#看一下。
        在我們實際開(kāi)始編碼之前,還有(yǒu)一個規則需要了解,我們有(yǒu)了通訊協議,如何結合串口的協議來分析,需要關心(xīn)什麽呢?哦。一般(bān)就(jiù)是4個問題:緩存收到的所有數據,找到一條完整數據,分析數據,界麵通知。
        如果分的更詳(xiáng)細一(yī)點,緩存(cún)收到(dào)的所有(yǒu)數據,我們(men)想到高效的辦(bàn)法就是順序表,也就是數組,但數組的操作比較複雜,當你使用完一條數據後,用過的(de)需要移除;新數據如果過多的時候,緩存過大需要清理;數據搬(bān)移等(děng)等,很有可能一個不小心就會丟數據導(dǎo)致軟件出些莫名其妙的小問題。個人建議,使用List,內部是數(shù)組方式(shì)實現,每(měi)次數據不足夠的時候會擴容1倍,數據的增刪改都已經做的很完善(shàn)了。不(bú)會出現什麽小問題。
        找到一條完整數據,如何找到完整數據呢?就我們例子的這個(gè)協議,首先在緩存的數據中找AA 44,當我(wǒ)們找到後,探測後麵的字節(jiē),發現是05,然後看緩存剩下的數據是(shì)否足夠,不足夠就不用(yòng)判斷,減少時間消耗,如(rú)果剩餘數據>=6個(包含(hán)1個字節的校驗),我們就算(suàn)一個(gè)校驗,看和*後的(de)校驗是否一致(zhì)。
        分析數據:鑒於(yú)網絡的開放性,我無(wú)法(fǎ)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這一係列的方(fāng)法,把連續的字(zì)節(和變量長(zhǎng)度一(yī)樣)讀取並轉換為對應的變量。c++下使用memcpy,或直接(jiē)類型轉換後進(jìn)行值拷貝,vb6下使(shǐ)用CopyMemory這個(gè)api。
        校驗:前麵說過了。完整性判斷的時候需要和校(xiào)驗對比(bǐ),大多係(xì)統都不太嚴格,不(bú)支持重發,所以數(shù)據(jù)錯誤就直接丟棄。導致數據錯誤的原因很(hěn)多,比如電磁幹擾導致數(shù)據不完整或錯誤、硬件驅動效率不夠導致數據丟失、我們的(de)軟件緩存(cún)出錯等。這些軟件因素數據係統錯誤,需要修改,但是電磁幹擾麽,有這個可能的。雖(suī)然很少(shǎo)。
       下麵是支持協議(yì)分析(協(xié)議不能配置,可(kě)配置(zhì)的協議不是我們討論的範(fàn)疇。可以看看有DFA(確(què)定性有限狀態機))
    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(fāng)法中反複的創建,定(dìng)義(yì)到外麵。
            private long received_count = 0;//接收(shōu)計數
            private long send_count = 0;//發送計數
            private bool Listening = false;//是否沒有執行完invoke相關操作
            private bool Closing = false;//是否正(zhèng)在(zài)關閉串口(kǒu),執(zhí)行Application.DoEvents,並阻止再次invoke
            private Listbuffer = new List(4096);//默認分配1頁內存,並始終限製不(bú)允(yǔn)許(xǔ)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(lā)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;//根據實際情況(kuàng)吧。
                //添加事件注(zhù)冊
                comm.DataReceived += comm_DataReceived;
            }
            void comm_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
            {
                if (Closing) return;//如果正在關閉,忽略(luè)操作(zuò),直接返回,盡快的完成串口監聽線程的一次(cì)循環
                try
                {
                    Listening = true;//設置標記,說明我已經開(kāi)始(shǐ)處理數據,一會兒要使用係(xì)統UI的。
                    int n = comm.BytesToRead;//先記錄下來,避(bì)免某種原因,人為的原因(yīn),操作幾次(cì)之間時間長,緩存不一(yī)致
                    byte[] buf = new byte[n];//聲明一個臨時數組存(cún)儲當前來的串口數據
                    received_count += n;//增加接收計數
                    comm.Read(buf, 0, n);//讀取緩衝(chōng)數據
                    /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
                    //<協議解析>
                    bool data_1_catched = false;//緩存記錄數據是否(fǒu)捕(bǔ)獲到
                    //1.緩存數據
                    buffer.AddRange(buf);
                    //2.完整性判斷
                    while (buffer.Count >= 4)//至少要包含頭(2字節)+長度(1字節)+校驗(1字節)
                    {
                        //請不要擔心使用>=,因為>=已經和>,<,=一樣,是獨立操作(zuò)符(fú),並不是解析成>和=2個符號
                        //2.1 查找數據頭
                        if (buffer[0] == 0xAA && buffer[1] == 0x44)
                        {
                            //2.2 探測緩存數據是否有一條數據的字節,如果不夠(gòu),就不用費勁的做(zuò)其(qí)他(tā)驗證了
                            //前麵已經限定了剩餘長度>=4,那我們這裏一定能(néng)訪問到buffer[2]這個長度
                            int len = buffer[2];//數據長度
                            //數據完整判斷第一步,長度是(shì)否足夠
                            //len是數據段(duàn)長度,4個字節是while行(háng)注釋的3部分長度
                            if (buffer.Count < len + 4) break;//數據不夠的時候什麽都(dōu)不做
                            //這裏確保數據長度足夠,數據頭標誌找(zhǎo)到,我們開始計算校驗(yàn)
                            //2.3 校驗數據(jù),確認數據正確
                            //異或(huò)校驗,逐(zhú)個(gè)字節異或得到校驗碼
                            byte checksum = 0;
                            for (int i = 0; i < len + 3; i++)//len+3表(biǎo)示校驗之前的位置
                            {
                                checksum ^= buffer[i];
                            }
                            if (checksum != buffer[len + 3]) //如果數據校驗失敗,丟棄(qì)這一包數據
                            {
                                buffer.RemoveRange(0, len + 4);//從緩存(cún)中刪(shān)除錯(cuò)誤數據
                                continue;//繼續下(xià)一次(cì)循環
                            }
                            //至此(cǐ),已(yǐ)經被找到了一條完整數據。我們將數據直接分析,或是緩存起來一起分析
                            //我們這裏采用的辦法是緩存一次,好(hǎo)處就是如果你某種原因,數據堆積在緩存buffer中
                            //已經(jīng)很多了,那你需要循環(huán)的找到*後一組,隻分析*新數據,過往數據你已經處理不及時
                            //了,就不要浪費更多時間(jiān)了,這也是考慮到係統負載能(néng)夠降低。
                            buffer.CopyTo(0, binary_data_1, 0, len + 4);//複製一條完整數據到具體的數據緩存
                            data_1_catched = true;
                            buffer.RemoveRange(0, len + 4);//正確分析一條數據,從緩存中移除數據。
                        }
                        else
                        {
                            //這裏是很(hěn)重要的,如果數據(jù)開始不是頭,則刪除數據
                            buffer.RemoveAt(0);
                        }
                    }
                    //分析數據
                    if (data_1_catched)
                    {
                        //我們的數據都是定好格(gé)式的,所以當我們找到分析出的數據(jù)1,就(jiù)知道固定位置一(yī)定是(shì)這些數據,我們隻要顯示就可以了
                        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(gèng)新界麵
                        this.Invoke((EventHandler)(delegate { txData.Text = data; }));
                    }
                    //如果需要別的協議,隻(zhī)要擴展這個data_n_catched就可(kě)以了。往往我們協議多的情況下,還會包含數據編(biān)號,給來的數據進行(háng)
                    //編號,協議優化後就(jiù)是: 頭+編號+長度+數據+校驗
                    //
                    /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
                    builder.Clear();//清除字符串構(gòu)造器的內容
                    //因(yīn)為要訪問ui資源,所以需要使用invoke方(fāng)式(shì)同步(bù)ui。
                    this.Invoke((EventHandler)(delegate
                    {
                        //判斷是否(fǒu)是(shì)顯示為16禁(jìn)止(zhǐ)
                        if (checkBoxHexView.Checked)
                        {
                            //依次的拚接出16進製字符(fú)串
                            foreach (byte b in buf)
                            {
                                builder.Append(b.ToString("X2") + " ");
                            }
                        }
                        else
                        {
                            //直接按ASCII規則轉換成(chéng)字符串
                            builder.Append(Encoding.ASCII.GetString(buf));
                        }
                        //追加的形式添加到文本框末(mò)端,並滾動到*後(hòu)。
                        this.txGet.AppendText(builder.ToString());
                        //修改接收計數
                        labelGetCount.Text = "Get:" + received_count.ToString();
                    }));
                }
                finally
                {
                    Listening = false;//我用完(wán)了,ui可以關閉串(chuàn)口了。
                }
            }
            private void buttonOpenClose_Click(object sender, EventArgs e)
            {
                //根據當前(qián)串口對象,來判斷操作
                if (comm.IsOpen)
                {
                    Closing = true;
                    while (Listening) Application.DoEvents();
                    //打(dǎ)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(tè)率後打開
                    comm.PortName = comboPortName.Text;
                    comm.BaudRate = int.Parse(comboBaudrate.Text);
                    try
                    {
                        comm.Open();
                    }
                    catch(Exception ex)
                    {
                        //捕獲到異常信息,創建一(yī)個新的comm對象,之前的不能用了。
                        comm = new SerialPort();
                        //現實異常信息(xī)給客戶。
                        MessageBox.Show(ex.Message);
                    }
                }
                //設置按鈕的狀態
                buttonOpenClose.Text = comm.IsOpen ? "Close" : "Open";
                buttonSend.Enabled = comm.IsOpen;
            }
            //動態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,記錄發送了幾(jǐ)個字節
                int n = 0;
                //16進製發送
                if (checkBoxHexSend.Checked)
                {
                    //我們(men)不管規則了。如果寫錯了一些,我們允許(xǔ)的,隻用正(zhèng)則得到有效的十六進製數
                    MatchCollection mc = Regex.Matches(txSend.Text, @"(?i)[/da-f]{2}");
                    Listbuf = new List();//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));
                    }
                    //轉換列表為數組後發送
                    comm.Write(buf.ToArray(), 0, buf.Count);
                    //記錄發送的字節(jiē)數
                    n = buf.Count;
                }
                else//ascii編碼直接發送
                {
                    //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;//累加發送字節數
                labelSendCount.Text = "Send:" + send_count.ToString();//更新界麵
            }
            private void buttonReset_Click(object sender, EventArgs e)
            {
                //複位接受和發送的(de)字(zì)節數計數器並更新界麵。
                send_count = received_count = 0;
                labelGetCount.Text = "Get:0";
                labelSendCount.Text = "Send:0";
            }
        }
    }

    至此,隻要按這個協(xié)議格式發送數據到軟件打開的串(chuàn)口,就能在數據的data標簽(qiān)顯示出你的數據內容,我們現在是直接顯示(shì)為:

    01 02 03 04 05

    也(yě)就是實(shí)際的數據段內容。

    我們在回顧一下,一般二進(jìn)製格式數據(jù)就是這樣分析,分析數據長度是否足夠,找到數(shù)據頭,數據長度,校(xiào)驗(yàn),然後分(fèn)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方式將連續的字節讀取為某個類(lèi)型的(de)變量(liàng)。
    DataReceived事件中,*高效的做法是(shì)指(zhǐ)緩存數據,然後(hòu)異步的去分析數據。但是,這樣較複雜,在效率要求不是(shì)很高的情況下(大多數情況),可以在DataReceived事件中緩存數據後,立刻進行數據(jù)完整性檢查,有效性(xìng)檢查,分析數據,以及更新界麵。但這麽做有一個(gè)隱(yǐn)患,底層串口操作的(de)效率依(yī)賴於數據分析和界(jiè)麵更新,任何(hé)一(yī)個環節頻繁耗時過長,都會造成數據的堆(duī)積。本文隻假設都不拖(tuō)時間的情況。各位小朋友, 希望本文對您有幫助, 感謝關(guān)注WONGLOVE!

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