• C# 串口二進製協議數據解析範例

    2018/12/26      點擊(jī):
    我們(men)先說一下通訊協議。通訊協議就是通訊雙方共同遵循的一套規則,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(zhèng)數據傳輸完整正確。基於這2點(diǎn)規則,我們一個通訊協議應該是這樣的:頭+數據長度+數據正文+校驗(yàn)
        例如:AA 44 05 01 02 03 04 05 EA
        這裏我假設的一條數(shù)據,協議如(rú)下:
        數據頭:     AA 44
        數據長度(dù): 05
        數據正文: 01 02 03 04 05
        校驗(yàn):       EA
        一般數據的校驗(yàn),都會采(cǎi)用常用的方(fāng)式,CRC16,CRC32,Xor。
        有的數據安全要(yào)求高的,不允許丟包的,可能還要加入重發機製或是加(jiā)入數據恢複算法(fǎ),在校驗後根據(jù)前(qián)麵數據添加恢複字節流以恢複數據。我這裏采用的是簡單的異或校驗,包含數據(jù)頭的所有字節,依次異或得到的(de)。
        協(xié)議很簡單,我也認為分(fèn)析協議是很簡單的事情,下麵我們就(jiù)如何分析協議來實際的結合c#看(kàn)一下。
        在我們實際開始編(biān)碼之前,還有一個規則需要了解,我們有了通訊(xùn)協議(yì),如何結合串口的(de)協議來分析(xī),需(xū)要關心什麽呢?哦(ò)。一般就是4個問(wèn)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。
        如果分的更詳細一點,緩存收到(dào)的所有數據,我(wǒ)們想到高效的辦法就是順序表,也就(jiù)是數組,但數組的操作比較複雜,當你使(shǐ)用完一條數據(jù)後,用過的需要移除;新數據如(rú)果過多的時候,緩存過大需(xū)要清理;數據搬移等等,很有可能一個不小心就會丟數據導致軟件出(chū)些(xiē)莫名其妙的小問(wèn)題。個人建議,使用List,內部(bù)是數組方式實現,每次數據不足夠的時候會擴容1倍,數據的增刪改都已經(jīng)做的很完善了(le)。不會出現什麽小問題。
        找到一條完整(zhěng)數據,如(rú)何找到完整數據呢?就我們例子的這個協議,首先(xiān)在緩存的數據中找AA 44,當我(wǒ)們找到(dào)後,探測(cè)後麵(miàn)的字節,發現是05,然後(hòu)看緩存剩下的數據是否足夠,不足夠就不用判斷,減少時(shí)間消(xiāo)耗,如果剩餘(yú)數據>=6個(gè)(包含1個字節的校驗),我們就算一個校驗,看和*後的(de)校驗是否一致。
        分析數據:鑒於網絡的開放性,我無法確定(dìng)讀者對(duì)c#的(de)了解程度,介紹一下,常用的方式就是BitConvert.ToInt32這一係列的方法,把連續的字節(和變量長度一樣)讀取並轉換為對應的變量。c++下使用memcpy,或直接類(lèi)型轉換後進行值拷貝,vb6下使用CopyMemory這個api。
        校驗:前(qián)麵說過了。完整性判斷的時候需要和校驗對比(bǐ),大多係統都不(bú)太嚴格,不支持(chí)重(chóng)發(fā),所以數據錯誤就(jiù)直接丟棄。導致數據錯誤的原因很多,比如電磁幹擾導致數據不完整或錯誤、硬件驅動效率不夠導致數據丟失、我們的軟件緩存出錯等。這些軟件因素數據係統錯誤(wù),需要修改,但是電磁幹擾麽(me),有這個可能(néng)的。雖然很少。
       下麵是支持協議分析(協議不(bú)能配置,可配置的協議不是我們討論的範疇(chóu)。可以(yǐ)看看有DFA(確定性有限狀態機))
    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();//避免在事件處理方法中反複的創建,定義到外麵。
            private long received_count = 0;//接收計數
            private long send_count = 0;//發送計(jì)數
            private bool Listening = false;//是否沒有執行(háng)完invoke相關操作
            private bool Closing = false;//是否正在關閉串口(kǒu),執行Application.DoEvents,並阻止再次invoke
            private Listbuffer = new List(4096);//默認(rèn)分配1頁內存(cún),並始終限製(zhì)不(bú)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(chuāng)體(tǐ)初始化
            private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
            {
                //初(chū)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(gēn)據實際情況吧。
                //添加事(shì)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,盡快的完成串口監聽線(xiàn)程的一次循環
                try
                {
                    Listening = true;//設置標記,說明(míng)我已經開始處理數據,一會兒要使用係統UI的(de)。
                    int n = comm.BytesToRead;//先記錄下來,避免某種原因(yīn),人(rén)為的原因,操作幾次之(zhī)間時間長,緩存(cún)不一致
                    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);//讀取緩衝數據
                    /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
                    //<協議解析>
                    bool data_1_catched = false;//緩存記錄數據是否捕獲到
                    //1.緩存數據
                    buffer.AddRange(buf);
                    //2.完整性判(pàn)斷
                    while (buffer.Count >= 4)//至(zhì)少要包含頭(2字節)+長度(1字節)+校驗(yàn)(1字節)
                    {
                        //請(qǐng)不要擔心使用>=,因(yīn)為>=已經和(hé)>,<,=一樣,是獨立操(cāo)作符,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(huǎn)存數據是否有一條數據(jù)的字節,如果不夠,就不用費勁的做其他驗證了
                            //前麵已(yǐ)經限定了剩餘長度>=4,那我們這裏一定(dìng)能訪問到buffer[2]這個長度
                            int len = buffer[2];//數據長度
                            //數據完整判斷第一步(bù),長度是否足夠
                            //len是數據段長(zhǎng)度,4個字節是while行注釋的3部分長度
                            if (buffer.Count < len + 4) break;//數(shù)據不夠的時候什麽都不做
                            //這裏確保(bǎo)數據長度足夠(gòu),數據頭標誌找到,我們開始計算校驗(yàn)
                            //2.3 校驗數據,確認數(shù)據正(zhèng)確
                            //異或(huò)校驗,逐個字節異或得到校驗碼
                            byte checksum = 0;
                            for (int i = 0; i < len + 3; i++)//len+3表示校驗之前的(de)位置
                            {
                                checksum ^= buffer[i];
                            }
                            if (checksum != buffer[len + 3]) //如果數據校驗失敗,丟棄這一包數據
                            {
                                buffer.RemoveRange(0, len + 4);//從緩存中刪除錯誤數據
                                continue;//繼續(xù)下一次循環
                            }
                            //至此,已(yǐ)經(jīng)被找到了一條完整數據。我們將數據直(zhí)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,好處就是如果你某種原因,數據堆積在緩存buffer中
                            //已經很多了(le),那你需要循環的找(zhǎo)到*後一組,隻(zhī)分析*新數據,過往數據你已經處理不(bú)及時
                            //了,就不(bú)要浪費更多時間(jiān)了,這也是考慮(lǜ)到係統負載能夠降低。
                            buffer.CopyTo(0, binary_data_1, 0, len + 4);//複製一(yī)條完整(zhěng)數據(jù)到具體的數據緩存
                            data_1_catched = true;
                            buffer.RemoveRange(0, len + 4);//正確分析一(yī)條數據,從緩(huǎn)存中移除數據。
                        }
                        else
                        {
                            //這裏是很重要的,如(rú)果數據開始不是頭,則刪除(chú)數據
                            buffer.RemoveAt(0);
                        }
                    }
                    //分析數據
                    if (data_1_catched)
                    {
                        //我們的(de)數據都是定好格式的,所以當(dāng)我們找到分析出的數(shù)據1,就知道(dào)固定位置一定是這些數據,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");
                        //更新界麵
                        this.Invoke((EventHandler)(delegate { txData.Text = data; }));
                    }
                    //如果需要別的協議,隻要擴展這個data_n_catched就可以(yǐ)了(le)。往往我們協(xié)議多(duō)的情況下,還會(huì)包含(hán)數據編號,給來的數據進行
                    //編號,協(xié)議優化後就是(shì): 頭+編號+長度+數據+校驗
                    //
                    /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
                    builder.Clear();//清除字符串構造器的內(nèi)容(róng)
                    //因為要訪(fǎng)問ui資源,所以(yǐ)需(xū)要使用invoke方式同(tóng)步ui。
                    this.Invoke((EventHandler)(delegate
                    {
                        //判斷是否是顯示為16禁止
                        if (checkBoxHexView.Checked)
                        {
                            //依次的拚接出16進製字(zì)符串
                            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(xíng)式添加到(dào)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;//我用完了(le),ui可以關閉串口了。
                }
            }
            private void buttonOpenClose_Click(object sender, EventArgs e)
            {
                //根據(jù)當前串(chuàn)口(kǒu)對象,來判斷操作
                if (comm.IsOpen)
                {
                    Closing = true;
                    while (Listening) Application.DoEvents();
                    //打開時點擊(jī),則關閉串口
                    comm.Close();
                }
                else
                {
                    //關閉時(shí)點擊,則設置(zhì)好端口,波特率後打開
                    comm.PortName = comboPortName.Text;
                    comm.BaudRate = int.Parse(comboBaudrate.Text);
                    try
                    {
                        comm.Open();
                    }
                    catch(Exception ex)
                    {
                        //捕(bǔ)獲到異常信息,創建一個新(xīn)的comm對象,之前(qián)的不能用了。
                        comm = new SerialPort();
                        //現(xiàn)實異常信息(xī)給客(kè)戶(hù)。
                        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(chí)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)
            {
                //定義一個變(biàn)量,記錄發(fā)送了幾個字節
                int n = 0;
                //16進製發送
                if (checkBoxHexSend.Checked)
                {
                    //我們不管規則了。如(rú)果寫錯了一些,我們(men)允許的,隻用正則得到有效(xiào)的十六進製數
                    MatchCollection mc = Regex.Matches(txSend.Text, @"(?i)[/da-f]{2}");
                    Listbuf = new List();//填充到這(zhè)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(biǎo)為(wéi)數組後發送
                    comm.Write(buf.ToArray(), 0, buf.Count);
                    //記錄發送的字節數
                    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(bāo)含換行(háng)符(fú)
                    {
                        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)
            {
                //複位接受和發送的字(zì)節數計數器並(bìng)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口,就能在數據的data標簽顯示出(chū)你的數據內容,我們現在是直接顯示為:

    01 02 03 04 05

    也就是實際(jì)的(de)數據段內容。

    我們(men)在回顧一下,一般(bān)二(èr)進製格式數據就是這樣分析,分析數據長(zhǎng)度(dù)是否足夠,找到數據(jù)頭,數據長度,校驗(yàn),然後分析。
    分析方式很多。結合各(gè)自實際情況操作,可以使用序列(liè)化方式,但是wince不支持,也(yě)可以用BitConvert方(fāng)式將連續的字(zì)節讀取為(wéi)某(mǒu)個類型的變量。
    DataReceived事件中,*高效的做法是指緩存數據,然後(hòu)異步的去分(fèn)析數據。但(dàn)是,這樣較複雜(zá),在效率要求不是很高的情況下(大多(duō)數情況),可以在DataReceived事件中緩存數據後,立刻進行數據完整性(xìng)檢查,有效(xiào)性檢查,分析數據,以及(jí)更新界麵。但這麽做(zuò)有一個隱(yǐn)患,底層串口操作的效率依賴於數據(jù)分析和界麵更新,任何一個(gè)環節頻繁耗時過長,都會造成數據的堆積。本文隻假設都不拖時(shí)間的情況。各位小朋友(yǒu), 希望本文對您(nín)有幫助, 感謝關注WONGLOVE!

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