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2026-08-13 16:50:52 +08:00

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USB CDC 串口通信协议规范

概述

本协议定义了上位机（PC）与设备之间通过USB CDC进行音频数据传输和命令控制的通信格式。协议采用二进制帧格式，支持命令、音频数据和MD5校验等功能。

协议版本

  • 版本号：1.0
  • 更新日期：2026-01-07

帧格式

基本帧结构

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| Magic  | Type   |    Length       |  Data  | Check  |
| 2 Bytes| 1 Byte |    4 Bytes      | N Bytes| 1 Byte |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

注意： 音频数据帧（Type=0x03）的Check字段固定填充为0x00，不进行实际校验计算，保持协议格式一致性。

字段说明

字段 长度 说明
Magic 2 字节 魔数，固定为 0xAA55（大端序），用于帧同步
Type 1 字节 数据类型，见下表
Length 4 字节 数据长度（小端序），仅指Data字段的长度
命令/响应/MD5帧: ≤64字节
Data N 字节 实际数据内容，长度由Length字段指定
Check 1 字节 校验和，对整个帧（除Check字段外）进行XOR校验
音频帧固定填充0x00

数据长度限制说明：

  • 命令请求/响应/MD5帧的Data字段最大64字节
  • 这种区分设计可节省非音频帧的内存占用

数据类型（Type）

类型值 名称 方向 说明
0x01 CMD_REQUEST PC → 设备 命令请求
0x02 CMD_RESPONSE 设备 → PC 命令响应
0x03 AUDIO_DATA 设备 → PC 音频数据
0x04 MD5_DATA 设备 → PC MD5校验值

命令定义

命令码

命令码 名称 说明
0x01 CMD_START_RECORD 开始录音
0x02 CMD_STOP_RECORD 停止录音
0x03 CMD_QUERY_STATUS 查询状态

命令请求格式（CMD_REQUEST）

Data字段格式：

+--------+--------+
| CmdID  | Params |
| 1 Byte | N Bytes|
+--------+--------+
  • CmdID: 命令码
  • Params: 命令参数（可选，长度根据具体命令而定）

命令响应格式（CMD_RESPONSE）

Data字段格式：

+--------+--------+--------+
| CmdID  | Status | Data   |
| 1 Byte | 1 Byte | N Bytes|
+--------+--------+--------+
  • CmdID: 对应的命令码
  • Status: 状态码（0x00=成功，0x01=失败，0x02=忙碌，0x03=不支持）
  • Data: 响应数据（可选）

状态码定义

状态码 名称 说明
0x00 STATUS_OK 命令执行成功
0x01 STATUS_ERROR 命令执行失败
0x02 STATUS_BUSY 设备忙碌
0x03 STATUS_UNSUPPORTED 不支持的命令

数据格式

音频数据（AUDIO_DATA）

Data字段格式：

+--------+--------+
| SeqNum | PCM    |
| 4 Bytes| N Bytes|
+--------+--------+
  • SeqNum: 序列号（小端序），用于检测丢包，从0开始递增
  • PCM: 原始PCM音频数据

注意： 音频数据帧保留Check校验字节，但固定填充为0x00，不进行实际校验计算。这样保持协议格式一致性，数据完整性由最终的MD5校验保证。

MD5数据（MD5_DATA）

Data字段格式：

+--------+
| MD5    |
|16 Bytes|
+--------+
  • MD5: 音频数据的MD5哈希值（128位）

通信流程

开始录音流程

PC                          设备
 |                           |
 |---- CMD_START_RECORD ---->|
 |                           | 开始录音
 |<--- CMD_RESPONSE(OK) -----|
 |                           |
 |<--- AUDIO_DATA(SeqNum=0)--|
 |<--- AUDIO_DATA(SeqNum=1)--|
 |<--- AUDIO_DATA(SeqNum=2)--|
 |         ...               |

停止录音流程

PC                          设备
 |                           |
 |---- CMD_STOP_RECORD ----->|
 |                           | 停止录音
 |<--- AUDIO_DATA(last) -----|
 |<--- MD5_DATA -------------|
 |<--- CMD_RESPONSE(OK) -----|
 |                           |

查询状态流程

PC                          设备
 |                           |
 |---- CMD_QUERY_STATUS ---->|
 |                           |
 |<--- CMD_RESPONSE ---------|
 |     (Status + Data)       |
 |                           |

查询状态响应Data格式：

+--------+--------+--------+--------+
| State  |   TotalBytes    | SeqNum |
| 1 Byte |    4 Bytes      | 4 Bytes|
+--------+--------+--------+--------+
  • State: 当前状态（0x00=空闲，0x01=正在录音）
  • TotalBytes: 已传输的总字节数（小端序）
  • SeqNum: 当前序列号（小端序）

校验算法

XOR校验

对除Check字段外的所有字节进行XOR运算：

uint8_t calculate_checksum(uint8_t *data, uint32_t len) {
    uint8_t checksum = 0;
    for (uint32_t i = 0; i < len; i++) {
        checksum ^= data[i];
    }
    return checksum;
}

MD5校验

使用标准MD5算法对所有音频数据进行校验：

  1. 设备端：对发送的所有PCM数据进行MD5计算
  2. 停止录音后，设备发送MD5_DATA帧
  3. PC端：对接收的所有PCM数据进行MD5计算并与设备端发送的MD5对比

示例

示例1：开始录音命令

PC发送：

AA 55 01 01 00 00 00 01 FA

解析：

  • Magic: AA 55
  • Type: 01 (CMD_REQUEST)
  • Length: 01 00 00 00 (1字节，小端序)
  • Data: 01 (CMD_START_RECORD)
  • Check: FA (XOR校验)

设备响应：

AA 55 02 02 00 00 00 01 00 F8

解析：

  • Magic: AA 55
  • Type: 02 (CMD_RESPONSE)
  • Length: 02 00 00 00 (2字节)
  • Data: 01 00 (CmdID=0x01, Status=0x00成功)
  • Check: F8

示例2：音频数据

设备发送：

AA 55 03 08 00 00 00 00 00 00 00 XX XX XX XX

解析：

  • Magic: AA 55
  • Type: 03 (AUDIO_DATA)
  • Length: 08 00 00 00 (8字节)
  • Data: 00 00 00 00 XX XX XX XX (SeqNum=0, PCM数据4字节)
  • Check: 无 (音频帧不包含校验字节)

示例3：MD5数据

设备发送：

AA 55 04 10 00 00 00 [16字节MD5] XX

解析：

  • Magic: AA 55
  • Type: 04 (MD5_DATA)
  • Length: 10 00 00 00 (16字节)
  • Data: 16字节MD5值
  • Check: XX

错误处理

帧错误

  1. 魔数错误：丢弃当前字节，继续搜索魔数
  2. 校验错误：丢弃整个帧，请求重传（可选）
  3. 长度异常：丢弃整个帧

超时处理

  • 命令超时：PC端发送命令后，2秒内未收到响应视为超时
  • 数据超时：录音过程中，5秒内未收到数据视为断连

序列号检查

  • PC端应检查音频数据的SeqNum是否连续
  • 如果发现跳号，说明有数据丢失

实现注意事项

设备端（C语言）

  1. 内存管理：使用环形缓冲区管理数据帧
  2. 多线程：命令处理和数据发送应分开不同任务
  3. 优先级：命令处理优先级应高于音频数据发送
  4. MD5计算：使用增量方式计算MD5，避免一次性读取所有数据

PC端（Python）

  1. 异步接收：使用独立线程接收数据
  2. 帧解析：实现状态机进行帧解析，处理粘包/拆包
  3. 超时机制：实现命令超时和数据超时检测
  4. MD5对比：实时计算接收数据的MD5，录音结束后对比

扩展性

协议预留了扩展空间：

  1. 命令扩展：可以添加新的命令码（0x04-0xFF）
  2. 数据类型扩展：可以添加新的数据类型（0x05-0xFF）
  3. 参数扩展：每个命令的Params字段可以自定义格式

参考实现

版本历史

版本 日期 说明
1.0 2026-01-07 初始版本，定义基本协议格式和命令

联系方式

如有问题或建议，请联系开发团队。

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