USART串口數據包

先來看兩張圖，本次程序是串口收發HEX數據包，第二種是串口收發文本數據包，之后兩個圖，展示的就是接收數據包的思路。

在PB1這里接了一個按鍵，用于控制。在串口助手，在發送模式和接收模式都選擇HEX模式。
在OLED顯示這樣的數據包，在串口助手這，也顯示接收到了這個數據包。

這個數據包有個規定的格式，就是以FF為包頭，FE為包尾，中間固定4個字節為數據，這是STM32發送數據包。
STM32發送數據包：可以在串口助手的發送區，發送一個數據包給STM32，也是同樣的格式，以FF開頭，中間4個數據為用戶數據，最后以FE結尾。

第二個程序串口收發文本數據包：在串口助手這的發送模式和接收模式都選擇文本模式，這個程序我們要發送一個文本數據包，數據包的格式也是個人規定的，此次規定的是，以@符號為包頭，中間是數據，如，@LED_ON ，數據也是規定好的指令，最后以換行符為包尾。

可以看到OLED顯示接收到了LED_ON，led點亮，然后STM32回傳一個字符串LED_ON_OK。如隨便給個指令，STM32也能收到，但是返回ERROR_COMMAND，錯誤指令。

HEX數據包

先看—下HEX數據包格式。首先數據包是一種將單獨的數據打包起來，整體進行傳輸的方式，方便進行多字節的通信。在實際應用中，可能需要把多個字節打包成一個整體進行發送。

比如說，我們有個陀擺儀傳感器，需要用串口發送數據到STM32，陀螺儀的數據，比如X
軸一個字節、Y軸一個字節、Z軸一個字節，總共3個數據，需要連續不斷地發送，但當你像這樣XYZ XYZ XYZ這樣連續發送的時候，就會出現一個問題，就是接收方，三不知道這數據哪個對應X哪個對應Y、哪個對應Z。因為接收方可能會從任意位置開始接收，所以會出現數據錯位的現象。

解決這個現象：就是把這個數據進行分割，把XYZ 分成一個個數據包，這樣接收的時候就知道了，數據包的第一個數據是X，數據包的第二個數據是Y，數據包的第三個數據是Z，這就是數據包的任務，就是把同一批的數據進行打包和分割，方便接收方進行識別，

比如，在XYZXYZ數據流中，我們可以在數據包第一個數據，也就是x的數據包上將最高位置1作為標志位，其余數據包最高位置0，當接收到的數據后，判斷一下最高位，如果是1，那就是x數據，然后緊跟著的兩個數據就分別是Y和Z，這是一種分割方法。**總結：這種方法是把每個數據的最高位當做標志位來進行分割的。**實際例子：如UTF8的編碼方法。

本節，講數據包分割方法，并不是在數據的高位添加標志位這種方式，這種方式破壞了原有的數據，使用起來比較復雜。

我們串口數據包，通常使用的是額外添加包頭包尾的這種方式。數據包有2種格式：固定包長，就是每個數據包長度都固定不變，每個數據包前面是包頭，后面是包尾。第2種是，可變包長，就是每個數據包長度可以是不一樣，我們可以根據用戶需求自行規定數據包格式。

例如，我們可以規定一批數據有4個字節，在4個字節之前添加包頭0xFF，在之后添加包尾OXFE。當我們接收到OxFF時，就知道一個數據包來了，接萶接收到的4個字節就作為數據包的第1. 2.3.4個數據存儲在數組中，最后接收到包尾OxFE時，就可以置一個標志位，告訴程序收到了一個數據包。這樣就可以在一個連續不斷的數據流中分割出我們想要的數據包了。這就是通過添加包頭包尾實現數據分割打包的思路,

接著研究幾個問題：

第一個問題：包頭包尾和數據載荷重復的問題，這里定義FF為包頭，FE為包尾，如果我傳輸的數據本身就是FF和FE怎么辦呢？那這個問題確實存在，如果數據和包頭包尾重復，可能會引起誤判。對應這個問題我們有如下幾種解決方法：

第一種，限制載荷數據的范圍。如果可以的話，我們可以在發送的時候，對數據進行限幅。比如XYZ，3個數據，變化范圍都可以是0~100 那就好辦了，我們可以在載荷中只發送0-100的數據，這樣就不會和包頭包尾重復了。

第二種，如果無法避免載荷數據和包頭包尾重復，那我們就盡量使用固定長度的數據包。這樣由于載荷數據是固定的，只要我們通過包頭包尾對齊了數據，我們就可以嚴格知道，哪個數據應該是包頭包尾，哪個數據應該是載荷數據。
在接收載荷數據的時候，我們并不會判斷它是否是包頭包尾，而在接收包頭包尾的時候，我們會判斷它是不是確實是包頭包尾，用于數據對齊。這樣，在經過幾個數據包的對齊之后，剩下的數據包應該就不會出現問題了。

第三種，增加包頭包尾的數量，并且盡量讓它呈現出載荷數據出現不了的狀態。比如我們使用FF、FE作為包頭，FD、FC作為包尾，這樣也可以避免載荷數據和包頭包尾重復的情況發生。

第二個問題：這個包頭包尾并不是全部都需要的，比如我們可以只要一個包頭，把包尾刪掉，這樣數據包的格式就是，一個包頭FF，加4個數據，這樣也是可以的。
當檢測到FF，開始接收，收夠4個字節后，置標志位，一個數據包接收完成，這樣也可以。不過這樣的話，載荷和包頭重復的問題會更嚴重一些，比如最嚴重的情況下，我載荷全是FF，包頭也是FF，那你肯定不知道哪個是包頭了，而加上了FE作為包尾，無論數據怎么變化，都是可以分辨出包頭包尾的。

第三個問題：固定包長和可變包長的選擇問題。
對應HEX數據包來說,如果你的載荷會出現和包頭包尾重復的情況,那就最好選擇固定包長,這樣可以避免接收錯誤。如果你又會重復，又選擇可變包長那數據很容易就亂套了。
如果載荷不會和包頭包尾重復，那可以選擇可變包長，數據長度，像這樣，4位、3位、等等，1位、10位，來回任意變，肯定都沒問題。因為包頭包尾是唯一的，只要出現包頭，就開始數據包，只要出現包尾，就結束數據包，這樣就非常靈活了，這就是固定包長和可變包長選擇的問題。

第四個問題：各種數據轉換為字節流的問題。這里數據包都是一個字節一個字節組成的，如果你想發送16位的整型數據、32位的整型數據，float、double，甚至是結構體，其實都沒問題，因為它們內部其實都是由一個字節一個字節組成的，只需要用一個uint8_t的指針指向它，把它們當做一個字節數組發送就行了。

文本數據包

這里我同樣介紹了固定包長和可變包長這兩種模式。由于數據被譯碼成字符形式，因此存在大量字符可以作為包頭和包尾，這可以有效避免載荷和包頭包尾重復的問題。
例如，以@字符作為包頭，以’\r’ '\n’換行符作為包尾，在載荷數據中間允許出現除了包頭包尾外的任意字符。這樣，文本數據包不用擔心載荷和包頭包尾重復的問題，使用非常靈活。無論是可變包長還是各種字母、符號、數字，都可以隨意使用。

當我們接收到載荷數據時，得到的是一個字符串。在軟件中對字符串進行操作和判斷，可以實現各種指令控制的功能。此外，字符串數據包的表達意義明顯，可以把字符串數據包直接打印到串口助手上，很明顯能看出指令和數據。所以這個文本數據包，通常以換行作為包尾，文本數據包通常以
便在打印時逐行顯示。

對比HEX數據包和文本數據包，各有優缺點。HEX數據包的優勢在于，傳輸最直接，解析數據簡單，適合一些模塊發送原始數據，比如使用串口通信的陀擺儀，溫溫度傳感器。其缺點靈活性不足，載荷容易和包頭包尾重復。

文本數據包的優點在于，數據直觀易于理解，比較適臺輸入指令進行人機交互的場合。
例如，藍牙模塊常用的AT指令、CNC和3D打印機常用的G代碼都是文本數據包的格式，然而，其缺點是解析效率低。

例如，發送數字100時，HEX數據包只需一個字節100即可，而文本數據包則需要三個字節的字符’1，“0，0。收到后還需字符轉換為，數據才能得到100。所以，需要根據實際場景來選擇和設計數據包格式。數據包格式定義。

數據包收發流程

首先，發送數據包的過程相對簡單。在發送HEX數據包時，可以通過定義一個數組，填充數據，然后使用之前我們寫過的SendArray函數發送即可。
在發送文本數據包時，可以通過寫一個字符串，然后調用SendString函數發送。因此，發送數據包的過程是可控的，我們可以根據需要發送任何類型的數據包。

接收一個數據包，比較復雜了，這里是固定包長HEX數據包的接收方法，和可變包長文本數據包的接收方法，其他的數據包也都可以套用這個形式，等會兒我們寫程序就會根據這里面的流程來。

我們先看一下如何來接收這個固定包長的HEX數據包。要接收固定包長的HEX數據包，我們需要設計一個狀態機來處理。根據之前的代碼，我們知道每當收到一個字節，程序會進入中斷。在中斷函數里，我們可以獲取這個字節，但獲取后需要退出中斷。因此，每個收到的數據都是獨立的過程，而數據包則具有前后關聯性，包括包頭、數據和包尾。為了處理這三種狀態，我們需要設計一個能夠記住不同狀態的機制，并在不同狀態下執行不同的操作，同時進行狀態合理轉移。這種程序設計思維就是“狀態機”。

在這里我們就使用狀態機的方法來接收—個數據包，要想設計一個好的狀態機程序，畫一個這樣的狀態轉移因是必要的。

我們看一下，對于下面這樣—個固定包長HEX數據包來說，我們可以定義3個狀態，第一個狀態是等待包頭，第二個狀態是收數據，第三個狀志是等待包尾，每個狀態需要用一個變量來標志一下，比如我這里用變量S來標志，三個狀態依次為S=0 S=1 S=2，這一點類似于置標志位，只不過標志位只有0和1，而狀態機是多標志位狀態的一種方式。

執行流程是：

對于固定包長的HEX數據包，我們可以定義三個狀態：等待包頭．接收數據，等待包尾。每個狀態都可以用一個變量來標志，例如變量S來表示。這三個狀態可以依次定義為S=0、 S=1. S=2。類似于置標志位，但標志位只有0和1，而狀態機允許多標志位狀態。

初始時，S=0表示等待包頭狀態。當中斷發生時，根據S=0的狀態，程序會進入等待包頭的邏輯。判斷數據是不是包頭FF，如果收到的數據是FF（包頭)，則將狀態設置為S=1并退出中斷。下次再進中斷，然后根據S=1的狀態，進行接收數據的程序。如果收到的不是FF，就證明數據包沒有對齊，那么需要繼續等待包頭出現，狀態保持為S=0。下次中斷，還是判斷包頭的邏輯，直到出現FF，才能轉到下一個狀態。

當收到FF（包頭)后，狀態會轉移到S=1（接收數據狀態）。在此狀態下，接收到的數據會被存儲在數組中，并記錄己收到的數據數量。如果沒接收到4個數據，就一直是接收狀態，當收到4個數據后，將狀態設置為S=2（等待包尾狀態）。

在等待包尾狀態下（S=2)，判斷數據是不是FE， 程序會等待收到FE（包尾)。如果收到FE，則將狀態重置為S=0（等待包頭狀態），開始下一個數據包的接收，開啟輪回 。如果收到的不是FE，那么需要進入重復等待包尾的狀態，直到接收到真正的包尾。

這就是使用狀態機接收數據包的思路。這個狀態機其實是一種很廣泛的編程思路，在很多地方都可以用到，使用的基本步驟是，先根據項目要求定義狀態，畫幾個圈，然后考慮好各個狀態在什么情況下會進行轉移，如何轉移，畫好線和轉移條件，最后根據這個圖來進行編程，這樣思維就會非常清晰了。

文本數據包

同樣也是利用狀態機，定義3個狀態。第一個狀態，等待包頭，判斷收到的是不是我們規定的⑨符號，如果收到@，就進入接收狀態，在這個狀態（S=1）下，依次接收數據，同時，這個狀態還應該要兼具等待包尾的功能。因為這是可變包長，我們接收數據的時候，也要時刻監視．是不是收到包尾了，一但收到包尾了，就結束。

那這里（S=2)，這個狀態的邏輯就應該是，收到一個數據，判斷是不是\r，如果不是，則正常接收，如果是，則不接收，同時跳到下一個狀態，等待包尾\n，因為我這里數據包有兩個包尾\r\n，所以需要第三個狀態，如果只有一個包尾，那在出現包尾之后，就可以直接回到初始狀態了，只需要兩個狀態就行，因為接收數據和等待包尾需要在一個狀態里同時進行，由于串口的包頭包尾不會出現在數據中，所以基本不會出現數據錯位的現象，這就是使用狀態機接收文本數據包的方法