单片机(STM32)与上位机传输浮点数

单片机(STM32)与上位机传输数据的方法

在进行单片机程序的开发时，常常需要与其他设备进行通信。一种情况是与其他电路板通信，比如STM32主机与STM32从机通信，STM32从机与树莓派主机通信。一种情况是与上位机通信，上位机软件进行人机交互。这个时候需要进行数据传输，传输数据有两种方式，传输整形数据与直接传输浮点数据。

1. 传输整形数据

一种方法是传输整形数据，工业中常用的Modbus就是这种方式。这里以传输16位整形数据为例，一个数据就占用两个字节，可以是正数和负数。

测试代码：

int main()
{
    uint16_t me, you;
    uint8_t data[100];
    me = 120;
    data[0] = me >> 8;
    data[1] = me;
    
    you = (uint16_t)data[0] << 8 | (uint16_t)data[1];

    printf("you = %d", you);

    return 0;
}

出来的结果是一样的120

那么负数怎么办呢？其实是一样的。不管是uint16_t还是int16_t，在内存中的存储都是一样的，区别不在于写，而在于怎么读。

int main()
{
    uint16_t me, you;
    uint8_t data[100];
    int16_t para;
    me = -120;
    data[0] = me >> 8;
    data[1] = me;
    
    you = ((uint16_t)data[0] << 8 | (uint16_t)data[1]);
    para = (int16_t)((uint16_t)data[0] << 8 | (uint16_t)data[1]);
    printf("me = %d\n", me);
    printf("me = %d\n", (int16_t)me);
    printf("you = %d\n", (int16_t)you);
    printf("para = %d", para);
    
    return 0;
}

结果：
在这里插入图片描述

上面me是一个uint16_t类型，怎么能直接让它等于-120呢？当然是可以的，只不过调用me的时候，是按照uint16_t类型读取的，结果就是65416，如果按照int16_t类型读取，结果就是-120。

同理，you也是一个uint16_t类型，you = ((uint16_t)data[0] << 8 | (uint16_t)data[1])是按照移位拷贝的方式将me的值赋给了you，只要按照int16_t类型读取出来，结果就是正确的负数。

理解了这种思想，在进行单片机与其他设备通信的时候，就可以定义一个数组，uint16_t register1[1000]，数组的索引就是数据地址，一个萝卜一个坑。第二个设备（其他单片机或电脑）同样定义一个数组，uint16_t registe2[1000]，按照上面的方法一个数据一个数据传输就行了。

再次注意：直接定义无符号数组即可，传输负数时直接赋值，只要另一端收到数据后按照int16_t类型读取，结果就是正确的负数。

2. 传输浮点数据

传输整形方法的缺点是：（1）不能直接传输浮点数，传输浮点数时需要进行倍数处理。例如0.12，将其乘100变成整形的12，上位机收到后除100变成浮点型的0.12。这种方法较麻烦，哪些地址的数据需要进行倍数，需要下位机和上位机同时定义清楚。（2）有符号和无符号类型数据区分。uint16类型数据较简单，直接传输，直接解析，没问题。int16上位机解析时，就需要进行类型转换了。哪些地址的数据要进行(int16_t)类型转换，也要定义清楚。（3）表示的数据范围有限，16位整形无符号数只能到65535，有符号数除2减半。如果是浮点数，乘掉了倍数，表示范围直接缩水。如果是翻100倍，只能表示到655。

所以，最方便的就是直接传输浮点数，省去很多麻烦。当然浮点数的缺点就是，一个数据要占用4个字节。因此效率是传输整形数据的一半。

传输浮点数，需要定义一个联合体：

union float_data
{
    float f_data;
    uint8_t byte[4];
};

f_data和byte[4]共用4个字节的内存单元，成员f_data是实际使用的数据，成员byte[4]是通信时用的数据，各司其职。

使用方法：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

union float_data
{
    float f_data;
    uint8_t byte[4];
};

int main()
{
    union float_data me, you;
    me.f_data = 0.12;
    you.byte[3] = me.byte[3];
    you.byte[2] = me.byte[2];
    you.byte[1] = me.byte[1];
    you.byte[0] = me.byte[0];
    printf("you = %f", you.f_data);

    return 0;
}

出来的结果是一样的，0.12。聪明的读者可以发现，me和you对应两个设备。只要按照这种方式进行传输，就可以传输浮点数。传输多个浮点数，me和you就可以定义为一个数组，例如me[100], you[100]。

3. 如何打包与解包

知道了数据如何传输，第二步就是思考如何进行数据打包和解包了，因为一个数据帧当然是要传输多个数据的。需要两个设备定义好通信协议，才能正确的解析数据。

数据打包也有两种方式，一种按照功能字，一种按照地址——数据对。

（1）按照功能字

这种方法用一个数据位表示功能字，对方设备收到这一帧数据，根据这个功能字就能判断你这一帧数据是什么，然后进行解析。例如一款陀螺仪的数据上传协议为：

在这里插入图片描述

它用第一个字节表示帧头，0x55，第二个字节表示功能字，0x52是角速度输出，0x53是角度输出，单片机读陀螺仪的数据时，按照它给定的这个协议，依次把数据读出来就可以了。

如果是自己定义通信协议，也可以模仿，这种方式每一帧数据都要进行定义，优点是物理意义明确，缺点是一旦确定了，如果想要修改，两端的设备要同时修改。

（2）按照地址数据对

这种方法模拟计算计的存储方式，为每一个数据安排一个地址，请注意这个地址并需要是真正的内存地址，它的核心是“索引”。例如一个数据就可以实现这种功能。uint16_t data[100]，数组的索引就是地址。例如我用data[0]表示姓名，data[1]表示年龄。那么姓名的地址就是0，年龄的地址就是1。

这种方法的优点和缺点与第一种方法相反，物理意义不明确，但移植性强、维护性好。

下面是我自创的一种通信协议，传输浮点数。前两个字节为帧头，不同帧头分别代表从机主动上传、主机下发修改数据、主机下发查询数据。（这种通信协议为一对一，不支持总线通信）

（1）单片机主动上传数据：

在这里插入图片描述
发送N个数据（32 bits）一共4N+6个帧字节。