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单片机串口实现字符串命令解析_单片机通讯回传字符串命令对比

作者：凡人多烦事01 | 2024-04-12 12:00:22

踩

单片机通讯回传字符串命令对比

通常情况下串口通信用的大多数都是用十六进制数据来传输指令，比如最常见的modbus的通信，如读保持寄存器指令：01 03 00 00 00 01 84 0A，这种十六进制的指令在这里就不讨论了。想要详细了解可以看往期的文章。串口相关文章链接如下：

STM32F103单片机modbus通信示例

STM32单片机串口空闲中断+DMA接收不定长数据

STM32单片机串口空闲中断接收不定长数据

STM8学习笔记---串口通信中如何自己定义通信协议

STM8学习笔记---Modbus通信协议简单移植

STM8学习笔记---串口printf函数的实现

有时候串口也需要通过字符串命令来实现某些功能，如果使用AT指令的话，通信就是以字符串格式进行。

有时候自己做产品的时候，需要通过指令来控制设备，使用字符串的话更方便。比如发送一条开LED灯的指令"led on"，关灯指令"led off"。这样通过字符串命令来控制设备，比直接通过16进制数字控制设备看起来更方便直观。比如今天要实现的功能。

那么如何解析字符串命令呢？通常第一个想法就是，将读取到的字符串和程序中存储的字符串进行比较，如果字符串相等的话，就调用某个函数去执行相应的功能。这种办法是最简单也就是最容易实现的。通常用一个switch语句就可以搞定，switch的每个分支代表一个指令，然后去调用相关的函数执行。相关代码可以参考 C语言中字符串比较这篇文章。

还有没有其他方法呢？如何了解数据结构的话就可以想到哈希表。可以使用类似于哈希表的原理来实现。在一个表中每一个键就对应一个值。通过键就可以找到值。就好像学生的学号和姓名一样，将学号和姓名连接起来，放在一起，通过学号就可以找到姓名。将字符串和要执行的函数对应起来，放在哈希表中。在表中找到字符串后，就可以直接找到对应执行的函数。增加或者删除串口命令时，只需要操作这张表就行了。就不用每次指令或者函数名发生变化时，都要去switch语句中修改。
在单片机中没有类似哈希表的这种数据结构，那要怎么实现呢？于是想到了用结构体去实现，在一个结构体里面有两个元素，一个是字符串，一个是需要执行的函数。这样字符串和函数就被绑定在了一起。在初始化命令的时候，将字符串和对应的函数，都写在一个结构体中。那么只有找到了这个字符串，就自然会找到对应的执行函数。这样就实现了类似哈希表的功能。

首先定义一个结构体，用来存储字符串命令和对应功能的函数


typedef void ( *functions )( void );                   // 函数指针类型
//命令结构体
typedef struct
{
    char cmd_name[MAX_CMD_LENGTH + 1];                //字符数组存储字符串命令
    functions cmd_functions;                          //通过指针传递函数名
}CMD_Name_Func;

在结构体里面有两个元素，一个字符数组用来存储字符串命令。一个指针用来存储函数的入口地址，该函数没有返回值，没有参数。

如果每个命令都对应一个这样的结构体，命令比较多的时候，如何能方便快速去找到这些结构体呢？最简单的就是将这些结构体存储在数组中，这样数组的每一个元素就是一个结构体，通过数组的下标就能很方便的访问到每一个结构体。


// 命令列表结构体类型
typedef struct
{
    CMD_Name_Func cmdNames[MAX_CMDS_COUNT];                     //结构体数组字符串命令 和对应函数
    int num;	                                                //统计结构体个数
}CMD_LIST;

在另一个结构体中用一个数组来存储命令结构体，每个结构体的数组元素都代表一个字符串命令和对应的函数，同时用一个计数器来统计，共存储了多少条命令。当串口接收到一个字符串后，就遍历一次结构体数组，对比里面是否有相同的字符串，如果有，就执行该字符串对应的函数。通过这种方式来处理字符串和命令的话，只需要在初始化的时候将字符串命令添加到这个列表中就可以了，而程序的其他地方就不需要修改了。

要实现上面所说的功能，还需要再实现两个函数，一个函数实现将命令添加到结构体，一个函数实现遍历结构体数组，寻找匹配的字符串并执行相应的函数。


static CMD_LIST command_list = {NULL, 0};  // 全局命令列表，保存已注册命令集合
//注册命令
void register_cmds( CMD_Name_Func reg_cmds[], int length )
{
    int i;
 
    if ( length > MAX_CMDS_COUNT )
    {
        return;
    }
 
    for ( i = 0; i < length; i++ )
    {
        if ( command_list.num < MAX_CMDS_COUNT ) // 命令列表未满
        {
            strcpy( command_list.cmdNames[command_list.num].cmd_name, reg_cmds[i].cmd_name );       //将字符串命令拷贝到列表中
            command_list.cmdNames[command_list.num].cmd_functions = reg_cmds[i].cmd_functions;          //将命令对应的函数存储在列表中
            command_list.num++;                                                                     // 数量值默认为0，每添加一个命令，数量加1.             
        }
    }
}

这个命令注册函数实现将命令结构体添加到命令列表中。用户新增加一条指令，就调用一次注册函数，将字符串命令添加到命令列表字符串中，同时将字符串命令对应的函数也添加到列表函数中。如果有新增加的子模块，只需要在子模块中调用一次注册命令，就完成了字符串命令的增加。其他代码不需要修改。

比如现在led模块需要添加命令


//注册led命令
void led_register( void )
{
    //初始化 字符串命令和对应函数
    CMD_Name_Func led_cmds[] =
    {
        {"led1 on", led1_on},                       // 添加字符串命令 和 对应的函数
        {"led1 off", led1_off},                     
        {"led2 on", led2_on},
        {"led2 off", led2_off},
        {"led3 on", led3_on},
        {"led3 off", led3_off}
    };
    //将命令添加到列表中
    register_cmds( led_cmds, ARRAY_SIZE( led_cmds ) );	// ARRAY_SIZE 用来计算结构体数组中，数组的个数。个数=结构体总长度/单个数组长度
}

在led模块中创建命令结构体，并将创建的结构体添加到命令列表中。通过代码可以看到增加了6条关于led的字符串命令，每个字符串命令都对应一个需要执行的函数。

假如现在还需要添加一个蜂鸣器的子模块，那么就可以直接在蜂鸣器的子文件内直接注册命令。


//注册 beep命令
void beep_register( void )
{
    //初始化 字符串命令和对应函数
    CMD_Name_Func beep_cmds[] =
    {
        {"beep on", beep_on},                       
        {"beep off", beep_off} 
    };
    //将命令添加到列表中
    register_cmds( beep_cmds, ARRAY_SIZE( beep_cmds ) );	// ARRAY_SIZE 用来计算结构体数组中，数组的个数。个数=结构体总长度/单个数组长度
}

在蜂鸣器的模块中添加了两条命令，然后通过注册函数将蜂鸣器相关的命令就添加到了命令列表中。

通过一个注册命令就实现了命令的添加，而不需要修改其他的代码，实现了代码的"高内聚，低耦合"。

上面实现了命令的注册，还需要实现一个命令的解析。


void match_cmd( char *cmdStr )
{
    int i;
    if ( strlen( cmdStr ) > MAX_CMD_LENGTH )
    {
        return;
    }
    for ( i = 0; i < command_list.num; i++ )     // 遍历命令列表
    {
        if ( strcmp( command_list.cmdNames[i].cmd_name, cmdStr ) == 0 )   //比较接收到的命令字符串 和 列表中存储的命令字符串是否相等，如果相等就调用命令字符串对应的函数。
        {
            command_list.cmdNames[i].cmd_functions();
        }
    }
}

每次注册命令的时候，会有个计数器统计注册命令的数量。在命令解析函数中就循环去判断接收到的命令是否在命令列表中，如果命令列表中存在相等的字符串，就去执行对应的函数。而命令解析函数是不关心接收到的具体字符串命令是什么，需要执行的相应函数是什么。所以每次命令添加或者删除的时候，对命令解析和函数没有任何的影响。

这个命令解析函数比较类似于设计模式中的"工厂模式"，所谓的工厂模式百度百科解释如下：

如果不了解面向对象编程的话，可能上面的这个解释看的不太明白。举个简单的例子就是，工厂生产东西的时候不关心具体生产的是什么东西，客户将需要生产东西的大小尺寸颜色特征告诉工厂，工厂就按照要求去执行。比如客户要求做一个直径5cm的玻璃透明圆柱体，圆柱体只需要底面，不需要顶面。工厂就按照客户的要求去生产这样一个东西，虽然这个东西按照一般经验来看就是一个透明的玻璃杯。但是工厂不用关心这个东西的名称和用途，只需要按照客户的要求去实现。

而上面的命令解析函数，实际上也就是一个工厂，客户将一个字符串和一个函数送来。工厂就按照指定的字符串去执行指定函数。而工厂本身不去关心这个字符串具体是什么？函数具体是什么？这样的话，只要客户在命令列表中注册了字符串命令和相应的执行动作。命令解析函数就可以实现想要的功能。

通过这种模式去解析字符串命令的话，就可以移植到到任何需要命令解析的单片机上，而不用去关心单片机的IO、中断、寄存器等等其他东西。

下面就贴出完整的代码

命令解析头文件 cmd.h ：


#ifndef __CMD_H_
#define __CMD_H_
#include "iostm8s103F3.h"
#define ARRAY_SIZE(x)	(sizeof(x) / (sizeof((x)[0])))        //用来计算结构体数组中，数组的个数。个数=结构体总长度/单个数组长度
#define		MAX_CMD_LENGTH		15	                // 最大命令名长度
#define		MAX_CMDS_COUNT		20	                // 最大命令数
typedef void ( *functions )( void );  	                        // 命令操作函数指针类型
//命令结构体类型 用于存储字符串命令和对应函数
typedef struct
{
    char cmd_name[MAX_CMD_LENGTH + 1];                          // 命令名 字符串末尾系统会自动添加结束符'/0'       sizeof("name")大小为 10
    functions cmd_functions;			  	        // 命令操作函数     sizeof(func) 大小为 2
}CMD_Name_Func;
// 命令列表结构体类型  用于存储字符串命令数组
typedef struct
{
    CMD_Name_Func cmdNames[MAX_CMDS_COUNT];                     // 存储字符串命令 和对应函数
    int num;	                                                // 命令数组个数
}CMD_LIST;
 
 
void register_cmds( CMD_Name_Func reg_cmds[], int num );
void match_cmd( char *str );
 
#endif

命令解析代码cmd.c


#include <string.h>
#include "cmd.h"
#include "uart.h"
static CMD_LIST command_list = {NULL, 0};  // 全局命令列表，保存已注册命令集合
/*
* 函数介绍： 命令注册函数 每新添加一个命令，就添加到命令列表中
* 输入参数： reg_cmds 待注册命令结构体数组
*            length   数组个数
* 输出参数： 无
* 返回值 ：  无
* 备    注： length 不得超过 MAX_CMDS_COUNT  
*/
void register_cmds( CMD_Name_Func reg_cmds[], int length )
{
    int i;
 
    if ( length > MAX_CMDS_COUNT )
    {
        return;
    }
 
    for ( i = 0; i < length; i++ )
    {
        if ( command_list.num < MAX_CMDS_COUNT ) // 命令列表未满
        {
            strcpy( command_list.cmdNames[command_list.num].cmd_name, reg_cmds[i].cmd_name );       //将字符串命令拷贝到列表中
            command_list.cmdNames[command_list.num].cmd_functions = reg_cmds[i].cmd_functions;          //将命令对应的函数存储在列表中
            command_list.num++;                                                                     // 数量值默认为0，每添加一个命令，数量加1.             
        }
    }
}
 
/*
* 函数介绍： 命令匹配执行函数
* 输入参数： cmdStr 待匹配命令字符串
* 输出参数： 无
* 返回值 ：  无
* 备    注： cmdStr 长度不得超过 MAX_CMD_NAME_LENGTH
*/
void match_cmd( char *cmdStr )
{
    int i;
 
    if ( strlen( cmdStr ) > MAX_CMD_LENGTH )
    {
        return;
    }
 
    for ( i = 0; i < command_list.num; i++ )	                                                    // 遍历命令列表
    {
        if ( strcmp( command_list.cmdNames[i].cmd_name, cmdStr ) == 0 )                             //比较接收到的命令字符串 和 列表中存储的命令字符串是否相等，如果相等就调用命令字符串对应的函数。
        {
            command_list.cmdNames[i].cmd_functions();
        }
    }
}

led头文件led.h


#ifndef __LED_H
#define __LED_H
#include "iostm8s103F3.h"
 
#define  LED1  PD_ODR_ODR4                       //蓝
#define  LED2  PA_ODR_ODR1                       //绿
#define  LED3  PA_ODR_ODR2                       //红
#define BLUE    {LED1=1;LED2=0;LED3=0;}
#define GREEN   {LED1=0;LED2=1;LED3=0;}
#define RED     {LED1=0;LED2=0;LED3=1;}
#define CYAN    {LED1=1;LED2=1;LED3=0;}          //青
#define PURPLE  {LED1=1;LED2=0;LED3=1;}        //紫
#define YELLOW  {LED1=0;LED2=1;LED3=1;}         //黄
#define ONALL   {LED2=1;LED3=1;LED1=1;}
#define OFFALL  {LED1=0;LED2=0;LED3=0;}
void LED_GPIO_Init( void );
void led1_on(void);
void led1_off(void);
void led2_on(void);
void led2_off(void);
void led3_on(void);
void led3_off(void);
void led_register(void);
#endif

led.c


#include "led.h"
#include "cmd.h"
 
//3色LED
void LED_GPIO_Init( void )
{
    PD_DDR |= ( 1 << 4 );        //PD4 输出 led
    PD_CR1 |= ( 1 << 4 );        //PD4 推挽输出
    PD_CR2 |= ( 1 << 4 );
 
    PA_DDR |= ( 1 << 1 );        //PA1 输出 led
    PA_CR1 |= ( 1 << 1 );        //PA1 推挽输出
    PA_CR2 |= ( 1 << 1 );
 
    PA_DDR |= ( 1 << 2 );        //PA2 输出 led
    PA_CR1 |= ( 1 << 2 );        //PA2 推挽输出
    PA_CR2 |= ( 1 << 2 );
}
 
void led1_on( void )
{
    LED1 = 1;
}
 
void led1_off( void )
{
    LED1 = 0;
}
void led2_on( void )
{
    LED2 = 1;
}
 
void led2_off( void )
{
    LED2 = 0;
}
void led3_on( void )
{
    LED3 = 1;
}
 
void led3_off( void )
{
    LED3 = 0;
}
 
//注册led命令
void led_register( void )
{
    //初始化 字符串命令和对应函数
    CMD_Name_Func led_cmds[] =
    {
        {"led1 on", led1_on},                       // 一个结构体变量大小为 12 (字符串大小10 + 函数名大小2)
        {"led1 off", led1_off},                     // 一个结构体变量大小为 12
        {"led2 on", led2_on},
        {"led2 off", led2_off},
        {"led3 on", led3_on},
        {"led3 off", led3_off}
    };
 
    //将命令添加到列表中
    register_cmds( led_cmds, ARRAY_SIZE( led_cmds ) );	// ARRAY_SIZE 用来计算结构体数组中，数组的个数。个数=结构体总长度/单个数组长度
}

beep.h


#ifndef __BEEP_H
#define __BEEP_H
#include "iostm8s103F3.h"
#define  BEEP  PB_ODR_ODR4                   
void BEEP_GPIO_Init( void );
void beep_register( void );
#endif

beep.c


#include "beep.h"
#include "cmd.h"
 
void BEEP_GPIO_Init( void )
{
    PB_DDR |= ( 1 << 4 );        //PB4 
    PB_CR1 |= ( 1 << 4 );        //PB4 推挽输出
    PB_CR2 |= ( 1 << 4 );
}
void beep_on( void )
{
    BEEP = 1;
}
void beep_off( void )
{
    BEEP = 0;
}
//注册 beep命令
void beep_register( void )
{
    //初始化 字符串命令和对应函数
    CMD_Name_Func beep_cmds[] =
    {
        {"beep on", beep_on},                       // 一个结构体变量大小为 12 (字符串大小10 + 函数名大小2)
        {"beep off", beep_off}                     // 一个结构体变量大小为 12
       
    };
    //将命令添加到列表中
    register_cmds( beep_cmds, ARRAY_SIZE( beep_cmds ) );	// ARRAY_SIZE 用来计算结构体数组中，数组的个数。个数=结构体总长度/单个数组长度
}

uart.h


#ifndef __UART_H
#define __UART_H
#include "iostm8s103F3.h"
 
extern char uartRecStr[20];             //串口接收字符串存储
extern unsigned char uartRecCnt;                   //接收数据个数
extern _Bool rec_ok;
 
void Uart1_IO_Init( void );
void Uart1_Init( unsigned int baudrate );
void SendChar( unsigned char dat );
void SendString( unsigned char* s );
 
#endif

uart.c


#include "uart.h"
#include "main.h"
 
char uartRecStr[20] = {0};             //串口接收字符串存储
unsigned char uartRecCnt = 0;                   //接收数据个数
_Bool rec_ok = 0;                                //接收完成标志位
 
//在Library Options中将Printf formatter改成Large
//重新定向putchar函数,使支持printf函数
int putchar( int ch )
{
    while( !( UART1_SR & 0X80 ) );              //循环发送,直到发送完毕
    UART1_DR = ( u8 ) ch;
    return ch;
}
//串口只用发送口，不用接收口
void Uart1_IO_Init( void )
{
    PD_DDR |= ( 1 << 5 );                       //输出模式 TXD
    PD_CR1 |= ( 1 << 5 );                       //推挽输出
 
    PD_DDR &= ~( 1 << 6 );                      //输入模式 RXD
    PD_CR1 &= ~( 1 << 6 );                      //浮空输入
}
 
//波特率最大可以设置为38400
void Uart1_Init( unsigned int baudrate )
{
    unsigned int baud;
    baud = 16000000 / baudrate;
    Uart1_IO_Init();
    UART1_CR1 = 0;      //禁止发送和接收
    UART1_CR2 = 0;      //8 bit
    UART1_CR3 = 0;      //1 stop
    UART1_BRR2 = ( unsigned char )( ( baud & 0xf000 ) >> 8 ) | ( ( unsigned char )( baud & 0x000f ) );
    UART1_BRR1 = ( ( unsigned char )( ( baud & 0x0ff0 ) >> 4 ) );
    UART1_CR2_bit.REN = 1;                      //接收使能
    UART1_CR2_bit.TEN = 1;                      //发送使能
    UART1_CR2_bit.RIEN = 1;                     //接收中断使能
}
 
//阻塞式发送函数
void SendChar( unsigned char dat )
{
    while( ( UART1_SR & 0x80 ) == 0x00 );       //发送数据寄存器空
    UART1_DR = dat;
}
//发送字符串
void SendString( unsigned char* s )
{
    while( 0 != *s )
    {
        SendChar( *s );
        s++;
    }
}
 
//接收中断函数 中断号18
#pragma vector = 20                             // IAR中的中断号，要在STVD中的中断号上加2
__interrupt void UART1_Handle( void )
{
    unsigned char res = 0;
 
    res = UART1_DR;
    UART1_SR &= ~( 1 << 5 );                    //RXNE 清零
    //SendChar(res);                            //test
    if( ( res != '\r' ) && ( res != '\n' ) )    //字符串以回车换行符结束
    {
        uartRecStr[uartRecCnt++] = res;
    }
    else
    {
        rec_ok = 1;                             //置接收完成标志
    }
}

主程序main.c


/*
*函数功能，实现串口字符串命令解析
*/
#include "iostm8s103F3.h"
#include "main.h"
#include "stdio.h"
#include "delay.h"
#include "stdlib.h"
#include "uart.h"
#include "string.h"
#include "cmd.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"
 
void SysClkInit( void )
{
    CLK_SWR = 0xe1;                             //HSI为主时钟源  16MHz CPU时钟频率
    CLK_CKDIVR = 0x00;                          //CPU时钟0分频，系统时钟0分频
}
 
void main( void )
{
    __asm( "sim" );                             //禁止中断
    SysClkInit();
    delay_init( 16 );
    LED_GPIO_Init();
    BEEP_GPIO_Init();
    Uart1_Init( 9600 );
    __asm( "rim" );                             //开启中断
    
    //注册命令
    led_register();
    beep_register();
 
    while( 1 )
    {
        if( rec_ok )
        {
            rec_ok = 0;
            uartRecCnt = 0;
            SendString( uartRecStr );
            SendString( "\r\n" );
            match_cmd( uartRecStr );
            memset( uartRecStr, 0, sizeof( uartRecStr ) );		//清空备份数组 需要添加头文件 string.h
        }
    }
}

在主函数中检测串口是否接收到了字符串，串口接收字符串以回车换行结束。若串口接收到了字符串，将接收到的字符串通过串口发送出去，并检查一次接收到的字符串是否和命令列表中的字符串匹配？如果接收到的字符串和命令列表中的字符串匹配，就中执行一次相关的函数。最后将串口缓冲区清空，继续等待下一次命令。

测试效果如下

这样通过字符串命令就可以直接控制LED灯和蜂鸣器了，如果下次需要增加一个继电器控制模块，就只需要编写继电器模块的c代码，在进入main函数时，注册继电器命令。继电器的模块就会被添加进来了。而不需要修改其他的模块和串口任何代码。

通过上面的例子可以看到这种模式是相当的好用，难道这种方法就没有一点缺点吗？如果在单片机上用的话，这种模式有一个致命的缺点，那就是太占内存了。

首先看一张图

这个是新建了4个led命令结构体，可以看出来每个命令的字符串数组长度都是16，函数指针默认为int型，占两个字节。一个结构体总共占18个字节。 4个led命令占4*18=72个字节的空间。虽然led命令最长的字符串只占8个字节，但是系统依然会分配16个字节空间。

这个是命令列表，默认的最多命令数是20个，系统初始化的时候就一次性将这20个命令的空间分配好了。虽然代码中只用了4个命令，但是系统空间的占用却一点也没有少。

这样的话对于空间比较小的单片机来说，虽然这种方法好用，但是太浪费空间。如果指令比较多，或者指令名比较长的话，可能光是指令列表就会把单片机的内存占满。这样的话还不如直接在switch语句中去比较字符串，直接比较字符串的话，只需要开辟一个字符串的存储空间就可以满足需求了。

所以根据不同的情况选择合适的方法，适合自己的方法就是好方法。

完整工程代码下载地址：https://download.csdn.net/download/qq_20222919/13077567

本文代码参考资料地址：https://www.shaoguoji.cn/2017/11/18/c-object-oriented-command-parser/

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