串口波特率與數(shù)據(jù)位參數(shù)自適應(yīng)算法的研究與實現(xiàn)

摘 要：串行通信是在工業(yè)生產(chǎn)與控制自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種數(shù)據(jù)通信方式。它具備使用靈活方便，實現(xiàn)簡單，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，設(shè)備成本低廉等很多優(yōu)點。目前對串口參數(shù)自適應(yīng)算法的研究只停留在波特率參數(shù)的自適應(yīng)研究上。本文根據(jù)現(xiàn)有的幾種波特率自適應(yīng)算法原理，設(shè)計了一種能自動識別包括波特率、數(shù)據(jù)位參數(shù)的自適應(yīng)算法。通過多次收發(fā)規(guī)定的協(xié)議文件，在接收端進行特征字符的比對分析與歸納，通過判斷機制實現(xiàn)對發(fā)送端參數(shù)的自動識別。本文算法進過實驗證明其能正確有效，準(zhǔn)確穩(wěn)定的識別常用的串口參數(shù)配置。對于工業(yè)生產(chǎn)與控制自動化有著重要的作用。

關(guān)鍵詞：串行通信；串口參數(shù)；自動識別；特征字符

中圖分類號：TP274.2

1 串行通信原理

本文算法應(yīng)用在串行通信異步傳輸下。串行異步通信協(xié)議中，數(shù)據(jù)是以字符為單位進行傳輸?shù)?，并且是從?shù)據(jù)的低位到高位依次發(fā)送。每次數(shù)據(jù)傳輸開始時，以起始位0作為字符接收的開始，以停止位1結(jié)束，字符與字符之間并沒有固定的接收時間間隔。每個字符開始都設(shè)置有一位起始位（低電平，邏輯值0），字符中的有效數(shù)據(jù)由5～8位數(shù)據(jù)位組成，在有效數(shù)據(jù)后一位為校驗位（也可以無校驗），最后停止位設(shè)置為一位或一位半或二位。這樣，從起始位到停止位就組成了一個完整的傳輸數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)包之間是不定長的空閑位。

2 串口參數(shù)自適應(yīng)算法設(shè)計

算法首先需要確定發(fā)送端的波特率設(shè)置，能正確的接收串口中的所有信息是算法后續(xù)判斷的前提條件。因此，本文借鑒波特率自適應(yīng)算法中的特征值匹配法設(shè)計獲取發(fā)送端的波特率大小。在已知通信波特率后，調(diào)整設(shè)置接收端除波特率外的參數(shù)為8N1，再次接收協(xié)議文件。根據(jù)理論分析和實驗?zāi)M得出在8N1狀態(tài)下接收所有其他發(fā)送參數(shù)時所有可能接收到的字符。比對本次接收的協(xié)議文件中的字符，判斷出此時發(fā)送串口參數(shù)的狀態(tài)。如果能完成所有參數(shù)的判斷，則算法結(jié)束。不能完成所有參數(shù)的判斷，則根據(jù)剩下的參數(shù)類型重新調(diào)整接收端參數(shù)設(shè)置。繼續(xù)調(diào)用相關(guān)的判斷機制對接收到的協(xié)議文件進行判斷和歸類。最終完成所有串口參數(shù)的識別。

3 波特率自動匹配算法

本文采用分段特征值匹配的方法識別串口波特率。由于接收端只接收一個字符，則這里只對0xF1進行分析。0xF1在串行通信中傳輸?shù)男蛄袨?100011111，其中第一位0為起始位，最后一位1為停止位。根據(jù)特征值匹配法，當(dāng)串行通信的發(fā)送端以A波特率發(fā)送字符信息0xF1時，當(dāng)接收端分別用2A、4A、8A波特率接收數(shù)據(jù)時，得到的序列如下表1所示。

從表1中可以看出，先設(shè)置波特率為B38400開始接收串口數(shù)據(jù)。如根據(jù)接收數(shù)據(jù)不能識別波特率，則設(shè)置波特率為B4800再次接收串口數(shù)據(jù)，如果還是不能識別，設(shè)置波特率為B600接收串口數(shù)據(jù)。這樣，最多通過進行三次收發(fā)，就能進行串行通信收發(fā)端的波特率匹配。

4 串口參數(shù)自適應(yīng)算法整體實現(xiàn)

接收端第二個模塊是設(shè)置其他參數(shù)為8N1接收文件，根據(jù)接收的字符判斷串口發(fā)送端口的參數(shù)設(shè)置，如果不能判斷所有參數(shù)，則設(shè)計判斷機制再次進行協(xié)議文件的收發(fā)并進行判斷。

因為我們已經(jīng)規(guī)定了協(xié)議文件中的字符內(nèi)容，且已經(jīng)實現(xiàn)了波特率匹配，則發(fā)送端每設(shè)置一種串口參數(shù)，對應(yīng)的發(fā)送序列都不一樣。此時，接收端設(shè)置8N1接收數(shù)據(jù)，對應(yīng)接收的數(shù)據(jù)也會分為幾個類型。則下面討論發(fā)送端在所有可能的參數(shù)設(shè)置時，分析接收端設(shè)置為8N1可能接收到的數(shù)據(jù)。

首先，當(dāng)發(fā)送端數(shù)據(jù)位為8時，則不論其校驗位和停止位如何設(shè)置，接收端都能正常接收數(shù)據(jù)為0xf1，0x31，0xf3。如果發(fā)送端數(shù)據(jù)位為7時，接收端接收的部分字符如下表2所示。

5 算法測試與驗收

本文算法運行環(huán)境為采用linux 3.2.0內(nèi)核的Ubuntu操作系統(tǒng)和gcc 4.6.3版本的編譯器，測試所用協(xié)議文件的十六進制內(nèi)容為：f131f3。由于算法在PC機上測試，本次測試通過兩個PL2303HX模塊實現(xiàn)的USB轉(zhuǎn)串口，實現(xiàn)了兩個簡易的串口，用杜邦線交叉連接兩個模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送針和數(shù)據(jù)接收針。

本文算法中需要驗收的串口參數(shù)組合的總數(shù)為N=9*3*3*2=162個。實驗過程中對所有串口參數(shù)的種類進行列舉，然后分別在發(fā)送端設(shè)置對應(yīng)參數(shù)進行發(fā)送。在實驗中，對每個參數(shù)進行10次匹配，如果其中9次都能通過，則說明對此參數(shù)能實現(xiàn)正確匹配。

通過實驗，所有的串口參數(shù)都能正確檢驗，整體的算法錯誤率控制在1%以下，在對所有參數(shù)組合進行的1620次測試中，匹配錯誤的次數(shù)為8次。主要原因為在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用參數(shù)8N1接收時出現(xiàn)的個別字符可能沒有包含在算法預(yù)期的特征字符中。此實驗說明本算法正確有效，能夠完成串行通信的串口參數(shù)自適應(yīng)功能。

6 結(jié)束語

本文研究了異步串行通信的實現(xiàn)原理，設(shè)計協(xié)議文件，編寫了發(fā)送端和接收端的收發(fā)程序，并在串口接收端加入了判斷機制。通過6次協(xié)議文件的收發(fā)過程，實現(xiàn)接收端對發(fā)送端口數(shù)據(jù)位參數(shù)的識別與匹配。在Linux系統(tǒng)下通過C語言和shell編程完成了串口參數(shù)的自適應(yīng)算法研究。通過實驗證明，本文設(shè)計的算法有效可行，能正確識別串行通信中常用的串口參數(shù)。

參考文獻：

[1]任貴勇，屈彥成，王常虹.串行通信波特率的一種自動檢測方法[J].計算機自動測量與控制，2000（01）.

[2]劉燕，陳興文.串行通信波特率自動檢測方法的實現(xiàn)[J].大連民族學(xué)院學(xué)報，2008（01）.

[3]Eddy Carroll.AUTO BAUD RATE DETECTION.1989，4.

[4]王紅祥，劉道文.基于未知上位機串行通信波特率檢測[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（23）.

[5]李允俊.在Linux下串行接口的C語言編程方法[J].長春理工大學(xué)學(xué)報，2005（01）.

作者單位：杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018