C# 串口操作系列(3) -- 协议篇，二进制协议数据解析
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
代码如下：
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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();//避免在事件处理方法中反复的创建，定义到外面。
private long received_count = 0;//接收计数
private long send_count = 0;//发送计数
private bool Listening = false;//是否没有执行完invoke相关操作
private bool Closing = false;//是否正在关闭串口，执行Application.DoEvents，并阻止再次invoke
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
private byte[] binary_data_1 = new byte[9];//AA 44 05 01 02 03 04 05 EA
public SerialportSampleForm()
{
InitializeComponent();
}
//窗体初始化
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
//初始化下拉串口名称列表框
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对象
comm.NewLine = "\r\n";
comm.RtsEnable = true;//根据实际情况吧。
//添加事件注册
comm.DataReceived += comm_DataReceived;
}
void comm_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
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
try
{
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。
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
byte[] buf = new byte[n];//声明一个临时数组存储当前来的串口数据
received_count += n;//增加接收计数
comm.Read(buf, 0, n);//读取缓冲数据
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//<协议解析>
bool data_1_catched = false;//缓存记录数据是否捕获到
//1.缓存数据
buffer.AddRange(buf);
//2.完整性判断
while (buffer.Count >= 4)//至少要包含头（2字节）+长度（1字节）+校验（1字节）
{
//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
//2.1 查找数据头
if (buffer[0] == 0xAA && buffer[1] == 0x44)
{
//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
//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
int len = buffer[2];//数据长度
//数据完整判断第一步，长度是否足够
//len是数据段长度,4个字节是while行注释的3部分长度
if (buffer.Count < len + 4) break;//数据不够的时候什么都不做
//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
//2.3 校验数据，确认数据正确
//异或校验，逐个字节异或得到校验码
byte checksum = 0;
for (int i = 0; i < len + 3; i++)//len+3表示校验之前的位置
{
checksum ^= buffer[i];
}
if (checksum != buffer[len + 3]) //如果数据校验失败，丢弃这一包数据
{
buffer.RemoveRange(0, len + 4);//从缓存中删除错误数据
continue;//继续下一次循环
}
//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
//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
//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
//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。
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
data_1_catched = true;
buffer.RemoveRange(0, len + 4);//正确分析一条数据，从缓存中移除数据。
}
else
{
//这里是很重要的，如果数据开始不是头，则删除数据
buffer.RemoveAt(0);
}
}
//分析数据
if (data_1_catched)
{
//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
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");
//更新界面
this.Invoke((EventHandler)(delegate { txData.Text = data; }));
}
//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
//编号，协议优化后就是： 头+编号+长度+数据+校验
//</协议解析>
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
builder.Clear();//清除字符串构造器的内容
//因为要访问ui资源，所以需要使用invoke方式同步ui。
this.Invoke((EventHandler)(delegate
{
//判断是否是显示为16禁止
if (checkBoxHexView.Checked)
{
//依次的拼接出16进制字符串
foreach (byte b in buf)
{
builder.Append(b.ToString("X2") + " ");
}
}
else
{
//直接按ASCII规则转换成字符串
builder.Append(Encoding.ASCII.GetString(buf));
}
//追加的形式添加到文本框末端，并滚动到最后。
this.txGet.AppendText(builder.ToString());
//修改接收计数
labelGetCount.Text = "Get:" + received_count.ToString();
}));
}
finally
{
Listening = false;//我用完了，ui可以关闭串口了。
}
}
private void buttonOpenClose_Click(object sender, EventArgs e)
{
//根据当前串口对象，来判断操作
if (comm.IsOpen)
{
Closing = true;
while (Listening) Application.DoEvents();
//打开时点击，则关闭串口
comm.Close();
}
else
{
//关闭时点击，则设置好端口，波特率后打开
comm.PortName = comboPortName.Text;
comm.BaudRate = int.Parse(comboBaudrate.Text);
try
{
comm.Open();
}
catch(Exception ex)
{
//捕获到异常信息，创建一个新的comm对象，之前的不能用了。
comm = new SerialPort();
//现实异常信息给客户。
MessageBox.Show(ex.Message);
}
}
//设置按钮的状态
buttonOpenClose.Text = comm.IsOpen ? "Close" : "Open";
buttonSend.Enabled = comm.IsOpen;
}
//动态的修改获取文本框是否支持自动换行。
private void checkBoxNewlineGet_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)
{
txGet.WordWrap = checkBoxNewlineGet.Checked;
}
private void buttonSend_Click(object sender, EventArgs e)
{
//定义一个变量，记录发送了几个字节
int n = 0;
//16进制发送
if (checkBoxHexSend.Checked)
{
//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
MatchCollection mc = Regex.Matches(txSend.Text, @"(?i)[\da-f]{2}");
List<byte> buf = new List<byte>();//填充到这个临时列表中
//依次添加到列表中
foreach (Match m in mc)
{
buf.Add(byte.Parse(m.Value, System.Globalization.NumberStyles.HexNumber));
}
//转换列表为数组后发送
comm.Write(buf.ToArray(), 0, buf.Count);
//记录发送的字节数
n = buf.Count;
}
else//ascii编码直接发送
{
//包含换行符
if (checkBoxNewlineSend.Checked)
{
comm.WriteLine(txSend.Text);
n = txSend.Text.Length + 2;
}
else//不包含换行符
{
comm.Write(txSend.Text);
n = txSend.Text.Length;
}
}
send_count += n;//累加发送字节数
labelSendCount.Text = "Send:" + send_count.ToString();//更新界面
}
private void buttonReset_Click(object sender, EventArgs e)
{
//复位接受和发送的字节数计数器并更新界面。
send_count = received_count = 0;
labelGetCount.Text = "Get:0";
labelSendCount.Text = "Send:0";
}
}
}
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();//避免在事件处理方法中反复的创建，定义到外面。
private long received_count = 0;//接收计数
private long send_count = 0;//发送计数
private bool Listening = false;//是否没有执行完invoke相关操作
private bool Closing = false;//是否正在关闭串口，执行Application.DoEvents，并阻止再次invoke
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
private byte[] binary_data_1 = new byte[9];//AA 44 05 01 02 03 04 05 EA
public SerialportSampleForm()
{
InitializeComponent();
}
//窗体初始化
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
//初始化下拉串口名称列表框
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对象
comm.NewLine = "\r\n";
comm.RtsEnable = true;//根据实际情况吧。
//添加事件注册
comm.DataReceived += comm_DataReceived;
}
void comm_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
{
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
try
{
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。
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
byte[] buf = new byte[n];//声明一个临时数组存储当前来的串口数据
received_count += n;//增加接收计数
comm.Read(buf, 0, n);//读取缓冲数据
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//<协议解析>
bool data_1_catched = false;//缓存记录数据是否捕获到
//1.缓存数据
buffer.AddRange(buf);
//2.完整性判断
while (buffer.Count >= 4)//至少要包含头（2字节）+长度（1字节）+校验（1字节）
{
//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
//2.1 查找数据头
if (buffer[0] == 0xAA && buffer[1] == 0x44)
{
//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
//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
int len = buffer[2];//数据长度
//数据完整判断第一步，长度是否足够
//len是数据段长度,4个字节是while行注释的3部分长度
if (buffer.Count < len + 4) break;//数据不够的时候什么都不做
//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
//2.3 校验数据，确认数据正确
//异或校验，逐个字节异或得到校验码
byte checksum = 0;
for (int i = 0; i < len + 3; i++)//len+3表示校验之前的位置
{
checksum ^= buffer[i];
}
if (checksum != buffer[len + 3]) //如果数据校验失败，丢弃这一包数据
{
buffer.RemoveRange(0, len + 4);//从缓存中删除错误数据
continue;//继续下一次循环
}
//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
//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
//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
//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。
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
data_1_catched = true;
buffer.RemoveRange(0, len + 4);//正确分析一条数据，从缓存中移除数据。
}
else
{
//这里是很重要的，如果数据开始不是头，则删除数据
buffer.RemoveAt(0);
}
}
//分析数据
if (data_1_catched)
{
//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
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");
//更新界面
this.Invoke((EventHandler)(delegate { txData.Text = data; }));
}
//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
//编号，协议优化后就是： 头+编号+长度+数据+校验
//</协议解析>
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
builder.Clear();//清除字符串构造器的内容
//因为要访问ui资源，所以需要使用invoke方式同步ui。
this.Invoke((EventHandler)(delegate
{
//判断是否是显示为16禁止
if (checkBoxHexView.Checked)
{
//依次的拼接出16进制字符串
foreach (byte b in buf)
{
builder.Append(b.ToString("X2") + " ");
}
}
else
{
//直接按ASCII规则转换成字符串
builder.Append(Encoding.ASCII.GetString(buf));
}
//追加的形式添加到文本框末端，并滚动到最后。
this.txGet.AppendText(builder.ToString());
//修改接收计数
labelGetCount.Text = "Get:" + received_count.ToString();
}));
}
finally
{
Listening = false;//我用完了，ui可以关闭串口了。
}
}
private void buttonOpenClose_Click(object sender, EventArgs e)
{
//根据当前串口对象，来判断操作
if (comm.IsOpen)
{
Closing = true;
while (Listening) Application.DoEvents();
//打开时点击，则关闭串口
comm.Close();
}
else
{
//关闭时点击，则设置好端口，波特率后打开
comm.PortName = comboPortName.Text;
comm.BaudRate = int.Parse(comboBaudrate.Text);
try
{
comm.Open();
}
catch(Exception ex)
{
//捕获到异常信息，创建一个新的comm对象，之前的不能用了。
comm = new SerialPort();
//现实异常信息给客户。
MessageBox.Show(ex.Message);
}
}
//设置按钮的状态
buttonOpenClose.Text = comm.IsOpen ? "Close" : "Open";
buttonSend.Enabled = comm.IsOpen;
}
//动态的修改获取文本框是否支持自动换行。
private void checkBoxNewlineGet_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)
{
txGet.WordWrap = checkBoxNewlineGet.Checked;
}
private void buttonSend_Click(object sender, EventArgs e)
{
//定义一个变量，记录发送了几个字节
int n = 0;
//16进制发送
if (checkBoxHexSend.Checked)
{
//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
MatchCollection mc = Regex.Matches(txSend.Text, @"(?i)[\da-f]{2}");
List<byte> buf = new List<byte>();//填充到这个临时列表中
//依次添加到列表中
foreach (Match m in mc)
{
buf.Add(byte.Parse(m.Value, System.Globalization.NumberStyles.HexNumber));
}
//转换列表为数组后发送
comm.Write(buf.ToArray(), 0, buf.Count);
//记录发送的字节数
n = buf.Count;
}
else//ascii编码直接发送
{
//包含换行符
if (checkBoxNewlineSend.Checked)
{
comm.WriteLine(txSend.Text);
n = txSend.Text.Length + 2;
}
else//不包含换行符
{
comm.Write(txSend.Text);
n = txSend.Text.Length;
}
}
send_count += n;//累加发送字节数
labelSendCount.Text = "Send:" + send_count.ToString();//更新界面
}
private void buttonReset_Click(object sender, EventArgs e)
{
//复位接受和发送的字节数计数器并更新界面。
send_count = received_count = 0;
labelGetCount.Text = "Get:0";
labelSendCount.Text = "Send:0";
}
}
}
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：
发送模拟数据的界面，使用通用工具SSCOMM32.exe
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……
本文来自CSDN博客，转载请标明出处：http://blog.csdn.net/wuyazhe/archive/2010/05/27/5627253.aspx
