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  • C# 串口操作系列(3) -- 协议篇，二进制协议数据解析

    转载自：http://blog.csdn.net/wuyazhe/article/details/5627253

    http://wenku.baidu.com/link?url=xEaq73A4PGmjvi8tF_q-o_uGZCrd-uJkG4NbVVIs2LOMzDijrP9zk81fEytqwNJVBFFmhzzIEyolUbaKzVGYc83_OBjDMjgfkIS6JlQUElu

        我们的串口程序，除了通用的，进行串口监听收发的简单工具，大多都和下位机有关，这就需要关心我们的通讯协议如何缓存，分析，以及通知界面。

        我们先说一下通讯协议。通讯协议就是通讯双方共同遵循的一套规则，定义协议的原则是尽可能的简单以提高传输率，尽可能的具有安全性保证数据传输完整正确。基于这2点规则，我们一个通讯协议应该是这样的：头+数据长度+数据正文+校验

        例如：AA 44 05 01 02 03 04 05 EA

        这里我假设的一条数据，协议如下：

        数据头：     AA 44

        数据长度： 05

        数据正文： 01 02 03 04 05

        校验：       EA

        一般数据的校验，都会采用常用的方式，CRC16,CRC32,Xor。

        有的数据安全要求高的，不允许丢包的，可能还要加入重发机制或是加入数据恢复算法，在校验后根据前面数据添加恢复字节流以恢复数据。我这里采用的是简单的异或校验，包含数据头的所有字节，依次异或得到的。

        协议很简单，我也认为分析协议是很简单的事情，下面我们就如何分析协议来实际的结合c#看一下。

        er…再等等，在我们实际开始编码之前，还有一个规则需要了解，我们有了通讯协议，如何结合串口的协议来分析，需要关心什么呢？哦。一般就是4个问题：缓存收到的所有数据，找到一条完整数据，分析数据，界面通知。

        如果分的更详细一点，缓存收到的所有数据，我们想到最高效的办法就是顺序表，也就是数组，但数组的操作比较复杂，当你使用完一条数据后，用过的需要移除；新数据如果过多的时候，缓存过大需要清理；数据搬移等等，很有可能一个不小心就会丢数据导致软件出些莫名其妙的小问题。个人建议，使用List<byte>，内部是数组方式实现，每次数据不足够的时候会扩容1倍，数据的增删改都已经做的很完善了。不会出现什么小问题。

        找到一条完整数据，如何找到完整数据呢？就我们例子的这个协议，首先在缓存的数据中找AA 44，当我们找到后，探测后面的字节，发现是05，然后看缓存剩下的数据是否足够，不足够就不用判断，减少时间消耗，如果剩余数据>=6个（包含1个字节的校验），我们就算一个校验，看和最后的校验是否一致。

        分析数据：鉴于网络的开放性，我无法确定读者对c#的了解程度，介绍一下，常用的方式就是BitConvert.ToInt32这一系列的方法，把连续的字节（和变量长度一样）读取并转换为对应的变量。c++下使用memcpy，或直接类型转换后进行值拷贝，vb6下使用CopyMemory这个api。

        校验：前面说过了。完整性判断的时候需要和校验对比，大多系统都不太严格，不支持重发，所以数据错误就直接丢弃。导致数据错误的原因很多，比如电磁干扰导致数据不完整或错误、硬件驱动效率不够导致数据丢失、我们的软件缓存出错等。这些软件因素数据系统错误，需要修改，但是电磁干扰么，有这个可能的。虽然很少。

        其实我知道，就算是我，看别人的博客也是，喜欢看图片，看代码，文字性的东西，一看就头大。那我接下来贴出基于上一篇文章的改进版本，支持协议分析（协议不能配置，可配置的协议不是我们讨论的范畴。可以看看有DFA(确定性有限状态机))

        我们修改一下界面，以便能显示收到后分析的数据

        红色部分是新增的

    代码如下：

     

    [c-sharp] view plaincopyprint?
    1. using System;  
    2. using System.Collections.Generic;  
    3. using System.ComponentModel;  
    4. using System.Data;  
    5. using System.Drawing;  
    6. using System.Linq;  
    7. using System.Text;  
    8. using System.Windows.Forms;  
    9. using System.IO.Ports;  
    10. using System.Text.RegularExpressions;  
    11. namespace SerialportSample  
    12. {  
    13.     public partial class SerialportSampleForm : Form  
    14.     {  
    15.         private SerialPort comm = new SerialPort();  
    16.         private StringBuilder builder = new StringBuilder();//避免在事件处理方法中反复的创建，定义到外面。  
    17.         private long received_count = 0;//接收计数  
    18.         private long send_count = 0;//发送计数  
    19.         private bool Listening = false;//是否没有执行完invoke相关操作  
    20.         private bool Closing = false;//是否正在关闭串口，执行Application.DoEvents，并阻止再次invoke  
    21.         private List<byte> buffer = new List<byte>(4096);//默认分配1页内存，并始终限制不允许超过  
    22.         private byte[] binary_data_1 = new byte[9];//AA 44 05 01 02 03 04 05 EA  
    23.         public SerialportSampleForm()  
    24.         {  
    25.             InitializeComponent();  
    26.         }  
    27.         //窗体初始化  
    28.         private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)  
    29.         {  
    30.             //初始化下拉串口名称列表框  
    31.             string[] ports = SerialPort.GetPortNames();  
    32.             Array.Sort(ports);  
    33.             comboPortName.Items.AddRange(ports);  
    34.             comboPortName.SelectedIndex = comboPortName.Items.Count > 0 ? 0 : -1;  
    35.             comboBaudrate.SelectedIndex = comboBaudrate.Items.IndexOf("19200");  
    36.             //初始化SerialPort对象  
    37.             comm.NewLine = "/r/n";  
    38.             comm.RtsEnable = true;//根据实际情况吧。  
    39.             //添加事件注册  
    40.             comm.DataReceived += comm_DataReceived;  
    41.         }  
    42.         void comm_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)  
    43.         {  
    44.             if (Closing) return;//如果正在关闭，忽略操作，直接返回，尽快的完成串口监听线程的一次循环  
    45.             try  
    46.             {  
    47.                 Listening = true;//设置标记，说明我已经开始处理数据，一会儿要使用系统UI的。  
    48.                 int n = comm.BytesToRead;//先记录下来，避免某种原因，人为的原因，操作几次之间时间长，缓存不一致  
    49.                 byte[] buf = new byte[n];//声明一个临时数组存储当前来的串口数据  
    50.                 received_count += n;//增加接收计数  
    51.                 comm.Read(buf, 0, n);//读取缓冲数据  
    52.                 /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  
    53.                 //<协议解析>  
    54.                 bool data_1_catched = false;//缓存记录数据是否捕获到  
    55.                 //1.缓存数据  
    56.                 buffer.AddRange(buf);  
    57.                 //2.完整性判断  
    58.                 while (buffer.Count >= 4)//至少要包含头（2字节）+长度（1字节）+校验（1字节）  
    59.                 {  
    60.                     //请不要担心使用>=，因为>=已经和>,<,=一样，是独立操作符，并不是解析成>和=2个符号  
    61.                     //2.1 查找数据头  
    62.                     if (buffer[0] == 0xAA && buffer[1] == 0x44)  
    63.                     {  
    64.                         //2.2 探测缓存数据是否有一条数据的字节，如果不够，就不用费劲的做其他验证了  
    65.                         //前面已经限定了剩余长度>=4，那我们这里一定能访问到buffer[2]这个长度  
    66.                         int len = buffer[2];//数据长度  
    67.                         //数据完整判断第一步，长度是否足够  
    68.                         //len是数据段长度,4个字节是while行注释的3部分长度  
    69.                         if (buffer.Count < len + 4) break;//数据不够的时候什么都不做  
    70.                         //这里确保数据长度足够，数据头标志找到，我们开始计算校验  
    71.                         //2.3 校验数据，确认数据正确  
    72.                         //异或校验，逐个字节异或得到校验码  
    73.                         byte checksum = 0;  
    74.                         for (int i = 0; i < len + 3; i++)//len+3表示校验之前的位置  
    75.                         {  
    76.                             checksum ^= buffer[i];  
    77.                         }  
    78.                         if (checksum != buffer[len + 3]) //如果数据校验失败，丢弃这一包数据  
    79.                         {  
    80.                             buffer.RemoveRange(0, len + 4);//从缓存中删除错误数据  
    81.                             continue;//继续下一次循环  
    82.                         }  
    83.                         //至此，已经被找到了一条完整数据。我们将数据直接分析，或是缓存起来一起分析  
    84.                         //我们这里采用的办法是缓存一次，好处就是如果你某种原因，数据堆积在缓存buffer中  
    85.                         //已经很多了，那你需要循环的找到最后一组，只分析最新数据，过往数据你已经处理不及时  
    86.                         //了，就不要浪费更多时间了，这也是考虑到系统负载能够降低。  
    87.                         buffer.CopyTo(0, binary_data_1, 0, len + 4);//复制一条完整数据到具体的数据缓存  
    88.                         data_1_catched = true;  
    89.                         buffer.RemoveRange(0, len + 4);//正确分析一条数据，从缓存中移除数据。  
    90.                     }  
    91.                     else  
    92.                     {  
    93.                         //这里是很重要的，如果数据开始不是头，则删除数据  
    94.                         buffer.RemoveAt(0);  
    95.                     }  
    96.                 }  
    97.                 //分析数据  
    98.                 if (data_1_catched)  
    99.                 {  
    100.                     //我们的数据都是定好格式的，所以当我们找到分析出的数据1，就知道固定位置一定是这些数据，我们只要显示就可以了  
    101.                     string data = binary_data_1[3].ToString("X2") + " " + binary_data_1[4].ToString("X2") + " " +  
    102.                         binary_data_1[5].ToString("X2") + " " + binary_data_1[6].ToString("X2") + " " +  
    103.                         binary_data_1[7].ToString("X2");  
    104.                     //更新界面  
    105.                     this.Invoke((EventHandler)(delegate { txData.Text = data; }));  
    106.                 }  
    107.                 //如果需要别的协议，只要扩展这个data_n_catched就可以了。往往我们协议多的情况下，还会包含数据编号，给来的数据进行  
    108.                 //编号，协议优化后就是： 头+编号+长度+数据+校验  
    109.                 //</协议解析>  
    110.                 /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////  
    111.                 builder.Clear();//清除字符串构造器的内容  
    112.                 //因为要访问ui资源，所以需要使用invoke方式同步ui。  
    113.                 this.Invoke((EventHandler)(delegate  
    114.                 {  
    115.                     //判断是否是显示为16禁止  
    116.                     if (checkBoxHexView.Checked)  
    117.                     {  
    118.                         //依次的拼接出16进制字符串  
    119.                         foreach (byte b in buf)  
    120.                         {  
    121.                             builder.Append(b.ToString("X2") + " ");  
    122.                         }  
    123.                     }  
    124.                     else  
    125.                     {  
    126.                         //直接按ASCII规则转换成字符串  
    127.                         builder.Append(Encoding.ASCII.GetString(buf));  
    128.                     }  
    129.                     //追加的形式添加到文本框末端，并滚动到最后。  
    130.                     this.txGet.AppendText(builder.ToString());  
    131.                     //修改接收计数  
    132.                     labelGetCount.Text = "Get:" + received_count.ToString();  
    133.                 }));  
    134.             }  
    135.             finally  
    136.             {  
    137.                 Listening = false;//我用完了，ui可以关闭串口了。  
    138.             }  
    139.         }  
    140.         private void buttonOpenClose_Click(object sender, EventArgs e)  
    141.         {  
    142.             //根据当前串口对象，来判断操作  
    143.             if (comm.IsOpen)  
    144.             {  
    145.                 Closing = true;  
    146.                 while (Listening) Application.DoEvents();  
    147.                 //打开时点击，则关闭串口  
    148.                 comm.Close();  
    149.             }  
    150.             else  
    151.             {  
    152.                 //关闭时点击，则设置好端口，波特率后打开  
    153.                 comm.PortName = comboPortName.Text;  
    154.                 comm.BaudRate = int.Parse(comboBaudrate.Text);  
    155.                 try  
    156.                 {  
    157.                     comm.Open();  
    158.                 }  
    159.                 catch(Exception ex)  
    160.                 {  
    161.                     //捕获到异常信息，创建一个新的comm对象，之前的不能用了。  
    162.                     comm = new SerialPort();  
    163.                     //现实异常信息给客户。  
    164.                     MessageBox.Show(ex.Message);  
    165.                 }  
    166.             }  
    167.             //设置按钮的状态  
    168.             buttonOpenClose.Text = comm.IsOpen ? "Close" : "Open";  
    169.             buttonSend.Enabled = comm.IsOpen;  
    170.         }  
    171.         //动态的修改获取文本框是否支持自动换行。  
    172.         private void checkBoxNewlineGet_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)  
    173.         {  
    174.             txGet.WordWrap = checkBoxNewlineGet.Checked;  
    175.         }  
    176.         private void buttonSend_Click(object sender, EventArgs e)  
    177.         {  
    178.             //定义一个变量，记录发送了几个字节  
    179.             int n = 0;  
    180.             //16进制发送  
    181.             if (checkBoxHexSend.Checked)  
    182.             {  
    183.                 //我们不管规则了。如果写错了一些，我们允许的，只用正则得到有效的十六进制数  
    184.                 MatchCollection mc = Regex.Matches(txSend.Text, @"(?i)[/da-f]{2}");  
    185.                 List<byte> buf = new List<byte>();//填充到这个临时列表中  
    186.                 //依次添加到列表中  
    187.                 foreach (Match m in mc)  
    188.                 {  
    189.                     buf.Add(byte.Parse(m.Value, System.Globalization.NumberStyles.HexNumber));  
    190.                 }  
    191.                 //转换列表为数组后发送  
    192.                 comm.Write(buf.ToArray(), 0, buf.Count);  
    193.                 //记录发送的字节数  
    194.                 n = buf.Count;  
    195.             }  
    196.             else//ascii编码直接发送  
    197.             {  
    198.                 //包含换行符  
    199.                 if (checkBoxNewlineSend.Checked)  
    200.                 {  
    201.                     comm.WriteLine(txSend.Text);  
    202.                     n = txSend.Text.Length + 2;  
    203.                 }  
    204.                 else//不包含换行符  
    205.                 {  
    206.                     comm.Write(txSend.Text);  
    207.                     n = txSend.Text.Length;  
    208.                 }  
    209.             }  
    210.             send_count += n;//累加发送字节数  
    211.             labelSendCount.Text = "Send:" + send_count.ToString();//更新界面  
    212.         }  
    213.         private void buttonReset_Click(object sender, EventArgs e)  
    214.         {  
    215.             //复位接受和发送的字节数计数器并更新界面。  
    216.             send_count = received_count = 0;  
    217.             labelGetCount.Text = "Get:0";  
    218.             labelSendCount.Text = "Send:0";  
    219.         }  
    220.     }  
    221. }  

    至此，你只要按这个协议格式发送数据到软件打开的串口。就能在数据的data标签显示出你的数据内容，我们现在是直接显示为：

    01 02 03 04 05

    也就是数据段内容。

    运行截图：

    请注意红色部分

    发送模拟数据的界面，使用通用工具SSCOMM32.exe

    sscomm32.exe 发送模拟数据的界面

    我们在回顾一下，一般二进制格式数据就是这样分析，分析数据长度是否足够，找到数据头，数据长度，校验，然后分析。

    分析方式很多。结合各自实际情况操作，可以使用序列化方式，但是wince不支持，也可以用BitConvert方式将连续的字节读取为某个类型的变量。

    希望看到这里，能给你带来帮助，欢迎大家和我讨论，希望经验丰富的朋友不吝赐教。上一篇中，有朋友说用BeginInvoke可以避免死锁问题，我暂时没有线，没有测试成功，改天测试后再公布结果。

    DataReceived事件中，最高效的做法是指缓存数据，然后异步的去分析数据。但是，这样较复杂，在效率要求不是很高的情况下（大多数情况），可以在DataReceived事件中缓存数据后，立刻进行数据完整性检查，有效性检查，分析数据，以及更新界面。但这么做有一个隐患，底层串口操作的效率依赖于数据分析和界面更新，任何一个环节频繁耗时过长，都会造成数据的堆积。文章只假设都不拖时间的情况。

    谢谢观赏，通讯协议分析系列，未完待续……
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