一種高效的串行通信協(xié)議的制定及實現(xiàn)

宋兵躍 ，吳軍輝 ，楊學(xué)軍 ，黃 斌

(1.同濟(jì)大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海 200092；2.教育部設(shè)施農(nóng)業(yè)網(wǎng)上合作中心，上海 200092)

1 串行通信介紹

串行通信是將數(shù)據(jù)分成若干二進(jìn)制位(bit)，然后通過一條線路或一個通信信道，按照規(guī)定的規(guī)程逐位依次進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)或計算機(jī)與外部設(shè)備之間的通信(數(shù)據(jù)交換)。串行通信具有占用硬件資源少、可大幅度降低通信線路成本、簡化通信設(shè)備、應(yīng)用靈活、易維護(hù)等諸多優(yōu)點，在工業(yè)控制、電力通信、智能儀表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

EIA-RS232、EIA-RS485、電流環(huán)、CAN 等串行通信方式是通信領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的串行接口。EIA-RS232是全雙工的通信模式，可保證短距離點對點的高速傳輸，EIA-RS485實現(xiàn)了較長距離下的多點互聯(lián)通信。CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，采用了多主機(jī)制，改善了在集散控制系統(tǒng)下的主從通信模式[2]。隨著應(yīng)用需求的復(fù)雜化，對串行通信的性能、通信效率的提升需求越來越明顯。如何制定一套切實可行、簡單易用，又能大幅度提高串行通信效率的通信協(xié)議；如何在PC端、嵌入式系統(tǒng)端構(gòu)建一個高效的串行數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序，是串行通信協(xié)議中等待解決的問題。本文將以加油站信息管理系統(tǒng)為例，介紹串行通信協(xié)議的制定以及高效通信數(shù)據(jù)處理的實現(xiàn)。

2 串行通信協(xié)議的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

加油站信息管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每臺加油機(jī)為一個應(yīng)用節(jié)點(即圖1中的控制點)，通過半雙工RS-485總線連接至通信控制器，在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，通信控制器為主機(jī)(Master)，各加油機(jī)為從機(jī)(Slave)，構(gòu)成一個主從通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在多種串行接口標(biāo)準(zhǔn)中，RS-485接口結(jié)構(gòu)簡單、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、使用傳輸線較少，長距離通信較經(jīng)濟(jì)，在集散式控制裝置中得到了廣泛應(yīng)用。RS-485采用差分電平傳輸，只需2根信號線，即可以方便地增加控制節(jié)點數(shù)目[3]。

通信控制器通過全雙工RS-232總線與管理PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，管理PC和通信控制器層面的數(shù)據(jù)交互，保證了實時性和高效性，采用互為主機(jī)的通信方式，以此構(gòu)成集散控制系統(tǒng)[4]。

2.2 通信協(xié)議格式的定義

2.2.1 協(xié)議幀格式

(1)主機(jī)(Master)下發(fā)數(shù)據(jù)幀格式

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)(5AH＋A5H)＋長度(從命令字開始到校驗和為止的字節(jié)數(shù))＋命令字 HIGH＋命令字 LOW＋機(jī)號＋參數(shù)＋一個字節(jié)校驗和(從命令字開始到校驗碼前一個字節(jié)的邏輯“異或”和)。

(2)從機(jī)(Slave)上傳數(shù)據(jù)幀格式

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)(9BH＋B9H)＋長度(從命令字開始到校驗和為止的字節(jié)數(shù))＋命令字HIGH＋命令字LOW＋機(jī)號＋參數(shù)＋一個字節(jié)校驗和 (從命令字開始到校驗碼前一個字節(jié)的邏輯“異或”和)[5-6]。

2.2.2 協(xié)議幀解釋

起始標(biāo)志數(shù)據(jù)：采用1個字節(jié)或多字節(jié)作為幀起始標(biāo)志，該部分的字節(jié)定義應(yīng)盡量與幀數(shù)據(jù)的其他部分完全不一樣。接收方在接收數(shù)據(jù)時總是先尋找?guī)^。幀頭的排他性將有利于提高各通信節(jié)點的接收效率。

長度：應(yīng)盡量采用短幀，以避免各種干擾因素對通信效率的影響。可根據(jù)實際應(yīng)用情況，在“長度”后增加“長度反碼”或“長度補碼”等校驗數(shù)據(jù)對長度進(jìn)行更為嚴(yán)格的校驗。

命令字：根據(jù)實際通信應(yīng)用需求，可應(yīng)用1～2字節(jié)的通信命令字。

機(jī)號：該幀所需接收方的地址識別號，可根據(jù)實際應(yīng)用需求對其進(jìn)行修改，如增加源地址、目的地址等。

參數(shù)：該幀的應(yīng)用數(shù)據(jù)，針對不同的應(yīng)用，考慮到數(shù)據(jù)的安全性，可對該部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。

校驗和：該幀的數(shù)據(jù)校驗，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的校驗方式。

3 高效串行通信方式的實現(xiàn)

3.1 PC端軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的處理機(jī)制

PC端的軟件首先判斷最高優(yōu)先級的命令字是否需要發(fā)送，如果需要，則進(jìn)入該命令字的發(fā)送流程；如果沒有，接著判斷次高級優(yōu)先級的命令字是否需要發(fā)送，如果需要，則進(jìn)入發(fā)送流程。根據(jù)命令字的優(yōu)先級由高到低的順序依次判斷要發(fā)送的命令字，當(dāng)沒有通信數(shù)據(jù)命令字發(fā)送時，PC端軟件將發(fā)送輪詢命令字。此外，在發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，PC端軟件會開啟接收超時定時器T，如果PC端軟件在超時時間內(nèi)收到應(yīng)答命令數(shù)據(jù)幀則進(jìn)入相應(yīng)數(shù)據(jù)處理流程，同時關(guān)閉接收超時定時器T；如果系統(tǒng)定時時間內(nèi)未收到應(yīng)答命令數(shù)據(jù)幀，則重新發(fā)送該命令字的幀數(shù)據(jù)，并記錄發(fā)送該命令字的次數(shù)，當(dāng)發(fā)送命令字的幀超過10次未收到相應(yīng)應(yīng)答命令，即視為該命令字和控制點的通信失敗，將通信流程重新調(diào)整到輪詢命令字狀態(tài)下。

3.2 PC端軟件接收數(shù)據(jù)的處理機(jī)制

在PC軟件端的接收程序部分，按字節(jié)來處理接收到的每幀數(shù)據(jù)，而不是按幀來處理。為此，應(yīng)用程序?qū)⒋诘慕邮罩袛嗟捻憫?yīng)字節(jié)閾值設(shè)為1，即當(dāng)接收緩沖區(qū)有多于1個數(shù)據(jù)便進(jìn)入接收數(shù)據(jù)處理流程。

當(dāng)開始接收一幀數(shù)據(jù)時，首先找到幀頭，其次應(yīng)根據(jù)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)長度和幀長度的關(guān)系來分類處理。因為Windows對串口的封裝(開發(fā)平臺為VC++6.0)，使得應(yīng)用程序無法來設(shè)定軟件，根據(jù)接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)閾值來響應(yīng)串行中斷。所以在通信過程中當(dāng)PC產(chǎn)生串行中斷時，應(yīng)根據(jù)串行中斷當(dāng)前數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)長度來做分類處理[7]。

首先，把接收緩沖區(qū)ReceBuffer[M]的數(shù)據(jù)取出來，放到待處理緩沖區(qū)DealBuffer[M]中(為了防止該幀數(shù)據(jù)還沒有處理完畢，未處理的數(shù)據(jù)會被新來的數(shù)據(jù)覆蓋掉，造成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失)。其次，要確定接收數(shù)據(jù)的幀頭，方法就是逐字節(jié)查找，一般幀頭在接收緩沖區(qū)中出現(xiàn)的位置有3種情況，如圖2所示，每一個方格代表一個字節(jié)。

圖2 接收幀頭出現(xiàn)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的位置

如果幀頭就是接收緩沖區(qū)的前兩個字節(jié)(如圖2(a)所示)，則按照通信協(xié)議依次處理剩下的接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)。用全局變量表示接收緩沖區(qū)處理步驟S，正確接收到2個幀頭后P賦值為2。

如果幀頭在接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的不連續(xù)字節(jié)內(nèi)(如圖2(b)所示)，應(yīng)把從第2個幀頭開始的有效數(shù)據(jù)移到第 1個幀頭后，如圖3所示，使得待處理緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)形成連續(xù)的一幀數(shù)據(jù)來繼續(xù)下一步的處理。

如果幀頭分散在兩個數(shù)據(jù)幀中(如圖 2(c)所示)，即PC響應(yīng)串行中斷第1次接收到第1個幀頭，第2次響應(yīng)或者第n次響應(yīng)串行中斷接收到第2個幀頭。當(dāng)接收到第1個幀頭后，S賦值為1。當(dāng)下次響應(yīng)串行中斷時，判斷S的值，如果是1，表示第 1個幀頭已經(jīng)找到，開始在接收到的幀數(shù)據(jù)中尋找第2個幀頭；如果找到，S賦值為2，并把從第2個幀頭開始的有效數(shù)據(jù)移到第1個幀頭后，使待處理緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)形成連續(xù)的一幀數(shù)據(jù)來處理。

圖3 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)移位前后示意圖

判斷命令字是否為協(xié)議中規(guī)定的合法命令字。如果是，將根據(jù)命令字所對應(yīng)的長度來判斷該幀數(shù)據(jù)的合法性，因為在制定通信協(xié)議時，規(guī)定了特定命令字所對應(yīng)的數(shù)據(jù)長度，這兩點約束條件可以保證接收數(shù)據(jù)的合法性，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果命令字和其對應(yīng)的長度值合法則將S賦值為3，進(jìn)入下一步的數(shù)據(jù)處理步驟。

最后，關(guān)閉發(fā)送定時器，防止處理的過程中有新的接收數(shù)據(jù)影響處理有效數(shù)據(jù)的過程。處理完畢，打開發(fā)送定時器，根據(jù)處理過程中標(biāo)志位的改變情況繼續(xù)與控制點進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信。在處理接收數(shù)據(jù)的步驟中，如果任何一個步驟出現(xiàn)非法數(shù)據(jù)，則清空ReceBuffer[M]和DealBuffer[M]，認(rèn)為該幀數(shù)據(jù)傳輸出錯，丟棄該幀數(shù)據(jù)，并初始化接收變量，重新設(shè)定接收超時定時器，接收下一次通信數(shù)據(jù)。

本文通過完整的串行通信協(xié)議的設(shè)計，在PC軟件發(fā)送端始終處于通信狀態(tài)，能以很快的速度響應(yīng)系統(tǒng)協(xié)議規(guī)定的命令字及其數(shù)據(jù)的發(fā)送。同時，在PC軟件接收端，采用逐字節(jié)處理的方式，通過設(shè)定全局變量來確定處理接收數(shù)據(jù)幀的步驟，細(xì)化了處理接收數(shù)據(jù)的過程，保證了數(shù)據(jù)高效可靠的傳輸。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在上海寶鋼集團(tuán)加油站信息管理系統(tǒng)中，實驗結(jié)果證明，此協(xié)議的通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、通信效率高效可靠、自適應(yīng)能力強(qiáng)，具有在相關(guān)領(lǐng)域推廣的價值和意義。

[1]胡新華，鄧元勇，王先平.多種通信網(wǎng)絡(luò)及接口轉(zhuǎn)換模塊的研制[J].計算機(jī)工程，2009(6):1-3.

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