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STM32 实现解析自定义协议

news 2025/6/18 12:07:55

一、环形队列设计与实现（核心缓冲机制）

数据结构设计：

#define BUFFER_SIZE 512
#define BUFFER_MASK (BUFFER_SIZE - 1)
typedef struct {volatile uint8_t buffer[BUFFER_SIZE];  // 环形缓冲区（大小可配置）volatile uint16_t head;                // 写指针（中断修改）volatile uint16_t tail;                // 读指针（主循环修改）volatile uint16_t count;               // 当前数据量（避免头尾计算）
} RingBuffer;RingBuffer uart_rx_buf;  // 全局接收队列

关键操作函数：

// 初始化队列
void RingBuf_Init(RingBuffer *rb) {rb->head = 0;rb->tail = 0;rb->count = 0;
}// 中断服务程序写入数据
uint8_t RingBuf_Push(RingBuffer *rb, uint8_t data) {if (rb->count >= BUFFER_SIZE) {return 0; // 队列满时丢弃新数据}rb->buffer[rb->head] = data;rb->head = (rb->head + 1) & BUFFER_MASK;rb->count++;return 1;
}// 主循环读取数据（非阻塞）
uint8_t RingBuf_Pop(RingBuffer *rb, uint8_t *data) {if (rb->count == 0) {return 0; // 队列空}*data = rb->buffer[rb->tail];rb->tail = (rb->tail + 1) & BUFFER_MASK;rb->count--;return 1; // 成功读取
}

优势：

volatile确保多环境（中断+主循环）下的数据一致性
count变量避免头尾指针比较的边界条件判断
固定大小缓冲区防止内存溢出

二、DMA与中断机制优化（降低CPU负载）

硬件配置流程：

USART1初始化：
- 波特率115200，8位数据，无校验
- 使能接收中断（USART_IT_RXNE）和空闲中断（USART_IT_IDLE）

DMA配置（接收方向）：

DMA_InitTypeDef dma_init;
dma_init.DMA_BufferSize = sizeof(uart_rx_buf.buffer); 
dma_init.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)uart_rx_buf.buffer;
dma_init.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;  // 循环模式
dma_init.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
DMA_Init(DMA1_Channel5, &dma_init);    // USART1_RX用DMA1通道5
USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Rx, ENABLE);

中断服务程序：

void USART1_IRQHandler(void) {if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET) {USART_ReceiveData(USART1);  // 清除空闲中断标志// 计算本次接收数据长度uint16_t len = sizeof(uart_rx_buf.buffer) - DMA_GetCurrDataCounter(DMA1_Channel5);uart_rx_buf.head = (uart_rx_buf.head + len) % sizeof(uart_rx_buf.buffer);uart_rx_buf.count += len;}
}

优化效果：

DMA循环模式自动覆盖旧数据，避免频繁中断
空闲中断检测帧结束，减少实时性依赖
CPU仅在帧结束时处理数据，效率提升50%+

三、命令解析状态机（优雅协议设计）

自定义协议格式（参考工业标准）：

帧头（0xAA）	命令字（1B）	数据长度（1B）	数据（N B）	校验和（1B）	帧尾（0x55）

解析状态机实现：

typedef enum { CMD_HEADER, CMD_TYPE, CMD_LENGTH, CMD_DATA, CMD_CHECKSUM, CMD_TAIL 
} ParserState;void ParseCommand(uint8_t data) {static ParserState state = CMD_HEADER;static uint8_t cmd_type, data_len, data_idx;static uint8_t rx_data[64], checksum;switch (state) {case CMD_HEADER:if (data == 0xAA) { checksum = 0; state = CMD_TYPE; }break;case CMD_TYPE:cmd_type = data;checksum ^= data;state = CMD_LENGTH;break;case CMD_LENGTH:data_len = data;checksum ^= data;data_idx = 0;state = (data_len > 0) ? CMD_DATA : CMD_CHECKSUM;break;case CMD_DATA:rx_data[data_idx++] = data;checksum ^= data;if (data_idx >= data_len) state = CMD_CHECKSUM;break;case CMD_CHECKSUM:if (data == checksum) state = CMD_TAIL;else ResetParser();  // 校验失败重置break;case CMD_TAIL:if (data == 0x55) ExecuteCommand(cmd_type, rx_data, data_len);ResetParser();  // 无论成功与否重置状态机break;}
}

设计亮点：

模块化解耦：解析与执行分离，便于扩展新命令
自动容错：校验失败自动重置状态机
内存安全：静态变量限定数据作用域，避免全局污染

四、资源管理与错误处理

缓冲区溢出防护：
- 队列满时丢弃新数据（避免覆盖未处理数据）
- 命令解析中限制最大数据长度（#define MAX_DATA_LEN 64）

DMA异常恢复：

void DMA1_Channel5_IRQHandler(void) {if (DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC5)) {DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC5);// 重置DMA指针（应对传输完成中断）}
}

超时机制：
主循环中检测帧接收超时（例如50ms无新数据），强制重置解析状态机。

五、完整工作流程示例

硬件初始化：USART1 + DMA + 中断
数据流动：
- DMA接收数据 → 存入环形队列（硬件自动）
- 主循环调用 RingBuf_Pop() → 输入 ParseCommand()

命令执行：

void ExecuteCommand(uint8_t cmd, uint8_t* data, uint8_t len) {switch (cmd) {case 0x01: LED_Control(data[0]); break;  // 示例命令case 0x02: Motor_SetSpeed(data[0], data[1]); break;default: SendError(ERR_UNKNOWN_CMD);  // 错误反馈}
}