串口通訊數(shù)據(jù)處理算法分析與實(shí)現(xiàn)

姚海濤 吳永剛

【摘要】本文介紹了串口通訊數(shù)據(jù)接收處理的一般方法。該方法利用循環(huán)FIFO緩沖區(qū)，獲取串口數(shù)據(jù)，并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移法對(duì)通訊報(bào)文進(jìn)行分析，從而獲得符合協(xié)議要求的有效報(bào)文。文章通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了狀態(tài)轉(zhuǎn)移法分析串口通訊數(shù)據(jù)的有效性，為實(shí)際的工程應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】循環(huán)緩沖區(qū);串口通訊數(shù)據(jù)處理;狀態(tài)轉(zhuǎn)移法

1.應(yīng)用背景

在目前很多的工程化控制應(yīng)用中，大部分采用了PC機(jī)和多臺(tái)單片機(jī)構(gòu)成的主從系統(tǒng)。單片機(jī)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，處理現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu);PC機(jī)則通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行集中管理，完成信息顯示，數(shù)據(jù)運(yùn)算并做出決策以分配任務(wù)。PC機(jī)與單片機(jī)之間則需通過(guò)通訊方式完成數(shù)據(jù)交互，在眾多通訊接口中，串口通訊應(yīng)用比較普遍。

串口通訊方式有三種：RS232、RS422和RS485;RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來(lái)，它是為彌補(bǔ)RS-232的不足而提出的。為改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（速率低于100kb/s時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。RS-422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為T(mén)IA/EIA-422-A標(biāo)準(zhǔn)。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為T(mén)IA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。由于EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴，所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱(chēng)謂。

串口通訊是按照字節(jié)流的方式來(lái)進(jìn)行的，即每中斷一次，表明成功傳送或者接收一個(gè)字節(jié)。

2.通訊協(xié)議

要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，那么通訊雙方必須遵循一定格式的協(xié)議，這樣，通訊雙方才能夠相互理解從對(duì)方所接收過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

串口通訊協(xié)議一般包含這樣幾個(gè)域：幀頭、用戶數(shù)據(jù)和幀尾。為保證數(shù)據(jù)的有效性，一般加強(qiáng)了幀頭和幀尾，幀頭包含前導(dǎo)碼、幀長(zhǎng)度和幀號(hào)，有的增加了發(fā)方地址和收方地址，有的通訊協(xié)議將幀長(zhǎng)度放在幀號(hào)的后面;幀尾主要是整個(gè)數(shù)據(jù)域與幀頭校驗(yàn)的結(jié)果，類(lèi)型有CRC檢驗(yàn)、奇偶檢驗(yàn)或異或偶校驗(yàn)等。有的協(xié)議幀尾也采用了固定的數(shù)據(jù)，甚至沒(méi)有幀尾。

表1 串口通訊協(xié)議一般格式

前導(dǎo)碼 幀長(zhǎng)度 幀號(hào) 數(shù)據(jù)域 校驗(yàn)

幀頭 用戶數(shù)據(jù) 幀尾

同時(shí)通訊協(xié)議還需定義各個(gè)域的長(zhǎng)度和每一個(gè)bit的確切的含義。

3.循環(huán)FIFO緩沖區(qū)

在通信程序中，經(jīng)常使用環(huán)形緩沖區(qū)作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存放通信中發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。環(huán)形緩沖區(qū)是一個(gè)先進(jìn)先出（FIFO）的循環(huán)緩沖區(qū)，可以向通信程序提供對(duì)緩沖區(qū)的互斥訪問(wèn)。環(huán)形緩沖區(qū)通常有一個(gè)讀指針和一個(gè)寫(xiě)指針。讀指針指向環(huán)形緩沖區(qū)中可讀的數(shù)據(jù)，寫(xiě)指針指向環(huán)形緩沖區(qū)中可寫(xiě)的緩沖區(qū)。通過(guò)移動(dòng)讀指針和寫(xiě)指針就可以實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入。在通常情況下，環(huán)形緩沖區(qū)的讀數(shù)據(jù)僅僅會(huì)影響讀指針，而寫(xiě)數(shù)據(jù)僅僅會(huì)影響寫(xiě)指針。

進(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送一般也采用具有先進(jìn)先出功能的FIFO循環(huán)緩沖區(qū)，如圖1所示：

Tail

0 1 2 3 4 5 6 7 …… SIZE-1

Head

圖1 FIFO循環(huán)緩沖區(qū)示意圖

從圖中可以看出，先進(jìn)先出功能的FIFO緩沖區(qū)須定義一個(gè)大小為SIZE的緩沖區(qū)，存放數(shù)據(jù)，Tail指針表示該緩沖區(qū)中接收到的有效數(shù)據(jù)位置，表示寫(xiě)入的數(shù)據(jù)位置;Head指針表示該緩沖區(qū)中已經(jīng)處理的有效數(shù)據(jù)位置，表示讀出的數(shù)據(jù)位置;初始化時(shí)，Head指針和Tail指針都指到0的位置;當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)存放到緩沖區(qū)后，Tail就加1，當(dāng)Tail大于SIZE-1時(shí)，將Tail等于0，數(shù)據(jù)接收時(shí)，線性緩沖區(qū)變成一個(gè)回環(huán);當(dāng)系統(tǒng)從緩沖區(qū)取出一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，Head就加1，當(dāng)Head大于SIZE-1時(shí)，將Head等于0，數(shù)據(jù)分析時(shí)，線性緩沖區(qū)也變成一個(gè)回環(huán);依據(jù)這種方法，可以看出，數(shù)據(jù)先到的，數(shù)據(jù)先分析，建立了先進(jìn)先出功能的FIFO循環(huán)緩沖區(qū)。

根據(jù)上述說(shuō)明，可以使用如下結(jié)構(gòu)體來(lái)定義FIFO緩沖區(qū)：

Typedef Struct Buffer_t{

IntHead;

IntTail;

Char data[SIZE];

}Buffer;

這個(gè)結(jié)構(gòu)體很簡(jiǎn)單，Tail表示寫(xiě)入的數(shù)據(jù)位置，Head表示讀出的數(shù)據(jù)位置，data用來(lái)存放數(shù)據(jù)。在對(duì)Head和Tail修改時(shí)，需要對(duì)SIZE取模，防止溢出。SIZE一般根據(jù)串口采用的波特率，數(shù)據(jù)流量和計(jì)算機(jī)的處理速度來(lái)決定大小。

4.緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的操作

根據(jù)FIFO的方式實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的初始化、寫(xiě)入和讀出的操作時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1）緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度表示在緩沖區(qū)中存在的沒(méi)有及時(shí)處理的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;可以這樣計(jì)算：（Tail +SIZE- Head）%SIZE。

2）緩沖區(qū)的可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

緩沖區(qū)的可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度表示在當(dāng)前緩沖區(qū)中還能寫(xiě)入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;可以這樣計(jì)算：SIZE-（Tail +SIZE- Head）%SIZE。

3）緩沖區(qū)空和滿的判斷條件

當(dāng)Head和Tail相等的時(shí)候，緩沖區(qū)空，而當(dāng)緩沖區(qū)中已經(jīng)寫(xiě)入了SIZE-1個(gè)有效數(shù)據(jù)時(shí)，緩沖區(qū)滿。

4）寫(xiě)入和讀出的策略

當(dāng)讀取或者寫(xiě)入緩沖區(qū)時(shí)，需要檢查緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)或者空間是否足夠。在讀取時(shí)，如果沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)，是讀取已有的數(shù)據(jù)還是不讀取任何數(shù)據(jù)，而在寫(xiě)入時(shí)，如果空間不夠，是部分寫(xiě)入還是不寫(xiě)入任何數(shù)據(jù)，這取決于軟件開(kāi)發(fā)人員的應(yīng)用程序采用的策略。一般情況下，在空間不夠時(shí)，可以不做任何操作。當(dāng)出現(xiàn)上述情況，留給上層的程序去處理。在實(shí)際應(yīng)用中，如果讀取和寫(xiě)入的程序設(shè)計(jì)的合理，緩沖區(qū)的大小合適，一般是不會(huì)出現(xiàn)寫(xiě)入失敗的情況的。

5.串口數(shù)據(jù)的分析

使用循環(huán)緩沖區(qū)，可以非常方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)串口數(shù)據(jù)的分析，而要完成協(xié)議的各個(gè)域的嚴(yán)格檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)部分含有錯(cuò)誤域的包和不完整的包的完美過(guò)濾，以及對(duì)混亂數(shù)據(jù)中正確包準(zhǔn)確無(wú)誤的抽取，還須對(duì)FIFO緩沖區(qū)重新定義，具體情況如下：

Typedef Struct Buffer_t{

IntHead;

IntTail;

IntHeadBak;

Char data[SIZE];

}Buffer;

增加的HeadBak為Head的備份，當(dāng)幀頭分析結(jié)束后，記錄下Head的位置，以防后續(xù)數(shù)據(jù)不符合協(xié)議要求后，根據(jù)HeadBak重新恢復(fù)Head的位置。

依據(jù)前面制定的協(xié)議，需依次完成前導(dǎo)碼的搜索，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的檢查、校驗(yàn)和的檢查以及錯(cuò)誤包的處理。利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移法，程序循環(huán)一次，從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀出一個(gè)字節(jié)，改變狀態(tài)，每次分析結(jié)束后，Head++;在進(jìn)行串口數(shù)據(jù)分析之前，必須判斷緩沖區(qū)不空或緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不為零時(shí)，才讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析具體流程如下：

1）判斷前導(dǎo)碼：如果成功，轉(zhuǎn)到2。

2）幀長(zhǎng)度的檢查：對(duì)照協(xié)議中對(duì)長(zhǎng)度域可能出現(xiàn)的最大和最小包長(zhǎng)檢查，如果正常，則轉(zhuǎn)到3，否則若不是前導(dǎo)碼，轉(zhuǎn)到1。

3）幀號(hào)的檢查：檢查幀號(hào)是否為有效的幀號(hào)，有效，則轉(zhuǎn)到4，HeadBak等于Head，否則若不是前導(dǎo)碼，轉(zhuǎn)到1，若是前導(dǎo)碼，轉(zhuǎn)到2。

4）數(shù)據(jù)域的接收：根據(jù)幀長(zhǎng)度判斷包是否完整，若完整，轉(zhuǎn)5。

5）校驗(yàn)和的檢查：根據(jù)協(xié)議算出校驗(yàn)和，檢查校驗(yàn)和是否正確，錯(cuò)誤則Head=HeadBak，轉(zhuǎn)到1。如果正確，則讀取（Head-HeadBak+SIZE）%SIZE的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，根據(jù)幀號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

根據(jù)上述的處理流程，完成了協(xié)議的各個(gè)域的嚴(yán)格檢查，實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分含有錯(cuò)誤域的包和不完整的包的完美過(guò)濾，以及對(duì)混亂數(shù)據(jù)中正確包準(zhǔn)確無(wú)誤的抽取。

6.實(shí)例驗(yàn)證

假如一幀正確數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 一幀正確數(shù)據(jù)格式

前導(dǎo)碼 幀長(zhǎng)度 幀號(hào) 數(shù)據(jù)域 校驗(yàn)

0x55 0x01 0x02 0x03 0x50

幀長(zhǎng)度表示數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在0～32之間，幀號(hào)在0x00～0x0F之間，校驗(yàn)采用異或檢驗(yàn)。

為驗(yàn)證上述流程的正確性，我們采取了各種案例進(jìn)行驗(yàn)證，具體情況如下：

表3 串口數(shù)據(jù)處理流程正確性案例驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)表3中各種案例進(jìn)行驗(yàn)證，都可以得到正確結(jié)果，每次取出的數(shù)據(jù)都符合協(xié)議，證明串口數(shù)據(jù)分析的狀態(tài)轉(zhuǎn)移法流程滿足要求。

7.結(jié)束語(yǔ)

以上給出的是根據(jù)一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議，構(gòu)造了一個(gè)串口接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，根據(jù)緩沖區(qū)如何得到正確包的基本思路。我們根據(jù)這個(gè)思路，在多個(gè)產(chǎn)品上已經(jīng)得到了成功的運(yùn)用。但實(shí)際的通信系統(tǒng)中協(xié)議遠(yuǎn)比這個(gè)要復(fù)雜，而且涉及到數(shù)據(jù)包響應(yīng)、命令錯(cuò)誤、延時(shí)等等一系列的問(wèn)題，不過(guò)有了這樣的一個(gè)基礎(chǔ)，通過(guò)克服這些困難我們就可以實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李現(xiàn)勇.Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐（第二版）[M].人民郵電出版社，2004.

[2]周立功，張華等.深入淺出ARM7-LPC213x/214x（上冊(cè)） [M].北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：姚海濤（1979—），女，碩士，現(xiàn)供職于宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，主要從事電子對(duì)抗技術(shù)研究。