淺析差錯控制技術(shù)在串行通信協(xié)議中的應(yīng)用

康冰　趙琳　衛(wèi)瑞　張蔚　鄭洋

1、前言

在自動化控制系統(tǒng)（如單片機(jī)和DSP等嵌入式系統(tǒng)）中，串行通信是實(shí)現(xiàn)兩端設(shè)備數(shù)據(jù)交換的一種非常重要且普遍使用的通信方式。串行通信在數(shù)據(jù)量要求不是特別高的情況下，因其具有硬件設(shè)備簡單、成本低廉、成熟度高和編碼復(fù)雜程度低等優(yōu)點(diǎn)，為過去和現(xiàn)在的自動化控制系統(tǒng)作出了巨大的貢獻(xiàn)，在未來一段時期仍將發(fā)揮不可低估的作用。

串行通信中，由于實(shí)際信道的傳輸特性不盡理想以及噪聲干擾，使得通信接收端易產(chǎn)生誤碼。為了保證通信可靠，實(shí)現(xiàn)兩端設(shè)備數(shù)據(jù)正確交換，通信協(xié)議中需要采取差錯控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)差錯檢測和糾正，改善通信系統(tǒng)的傳輸可靠性。本文介紹了差錯控制技術(shù)在串行通訊協(xié)議中的應(yīng)用。

2、差錯控制概述

2.1差錯控制

差錯就是在通信接收端收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送端實(shí)際發(fā)出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。差錯出現(xiàn)的原因有多種，如信號在物理信道中傳輸時，線路本身電器特性造成的隨機(jī)噪聲、信號幅度的衰減、頻率和相位的畸變、電器信號在線路上產(chǎn)生反射造成的回音效應(yīng)、相鄰線路間的串?dāng)_等造成的信號失真；如大氣中的閃電、開關(guān)的跳火、外界強(qiáng)電流磁場的變化、電源的波動等各種外界因素造成的信號失真等。在串行數(shù)據(jù)通信中，信號失真將會使接收端收到的二進(jìn)制數(shù)位和發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)位不一致，從而造成由“0”變成“1”或由“1”變成“0”的差錯。物理層傳輸鏈路受到干擾帶來的數(shù)據(jù)差錯無法被物理層識別，因而在數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議中采取差錯控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)差錯檢測、數(shù)據(jù)糾正是十分必要的。

差錯控制是指在數(shù)據(jù)通信過程中能發(fā)現(xiàn)或糾正差錯，把差錯限制在盡可能小的允許范圍內(nèi)。差錯檢測是通過差錯控制編碼來實(shí)現(xiàn)的；而差錯糾正是通過差錯控制方法來實(shí)現(xiàn)的。

2.2差錯控制編碼

差錯控制編碼是用以實(shí)現(xiàn)差錯控制的編碼，可分為檢錯碼和糾錯碼。檢錯碼是指能自動發(fā)現(xiàn)差錯的編碼，如奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）等。糾錯碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能自動糾正差錯的編碼，如正反碼、海明碼等。

差錯控制編碼的原理是：發(fā)送方對準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾編碼，即按照某種算法附加上一定的冗余位，構(gòu)成一個碼字后再發(fā)送。接收方收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)，即檢查信息位和附加的冗余位之間的關(guān)系，以檢查傳輸過程中是否有差錯發(fā)生。

2.3差錯控制方法

差錯控制方法是在數(shù)據(jù)通信中檢測差錯后對差錯進(jìn)行糾正，把差錯限制在所能允許范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。差錯控制方法一般可分為反饋檢測、自動請求重發(fā)（ARQ）和前向糾錯（FEC）三類。

反饋檢查方法的原理是：雙方在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，接收方將接收到的數(shù)據(jù)重新發(fā)送回發(fā)送方，由發(fā)送方檢查是否與原始數(shù)據(jù)完全相符；如不相符，則發(fā)送方發(fā)送一個控制信息刪去出錯的數(shù)據(jù)，并重新發(fā)送該數(shù)據(jù)；如相符則發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。

自動請求重發(fā)（ARQ）的原理是：發(fā)送方將要發(fā)送的數(shù)據(jù)附加上一定的冗余檢錯碼一并發(fā)送。接收方則根據(jù)檢錯碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯檢測；如發(fā)現(xiàn)差錯，則接收方返回請求重發(fā)的信息，發(fā)送方在收到請求重發(fā)的信息后，重新傳送數(shù)據(jù)；如沒有發(fā)現(xiàn)差錯，則發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。ARQ方式使用檢錯碼檢查差錯，并通過重發(fā)機(jī)制糾正差錯。

前向糾錯（FEC）的原理是：發(fā)送方將要發(fā)送的數(shù)據(jù)附加上一定的冗余糾錯碼一并發(fā)送，接收方則根據(jù)糾錯碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯檢測，如發(fā)現(xiàn)差錯，由接收方進(jìn)行糾正。FEC方式需要使用糾錯碼。

3、差錯控制在串口通信協(xié)議中的應(yīng)用

串口通信協(xié)議是串行通信的核心，它的主要功能是為應(yīng)用層提供可靠的數(shù)據(jù)信息。串口通信協(xié)議包括數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等。為了能夠充分發(fā)揮串口通信的自身作用，制定合適的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議就顯得尤為重要。串口通信數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議包括協(xié)議幀結(jié)構(gòu)、重發(fā)機(jī)制等內(nèi)容。

3.1差錯控制編碼的應(yīng)用

3.1.1協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

設(shè)備常用的串口通信數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議幀結(jié)構(gòu)一般包括幀頭、信息域、檢錯碼和幀尾。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際情況可以對幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪減，但是刪減的前提是保證幀結(jié)構(gòu)的檢錯能力，把差錯限制在所能允許的范圍內(nèi)。

3.1.2幀頭和幀尾

如果接收端在接收中有一個錯誤，導(dǎo)致識別不到下一個數(shù)據(jù)幀的開始或結(jié)束，整個通信將會混亂，所以幀頭和幀尾的識別相當(dāng)重要。幀頭是識別幀起始的重要標(biāo)志。幀頭的長度越長識別的可靠性就越高，但是過長的幀頭會帶來整幀長度的增加，從而影響傳輸效率。因此幀頭一般控制在1-3個字節(jié)。幀尾是識別幀結(jié)束的重要標(biāo)志。如果定義了幀長度，那么可以通過幀長度和幀尾共同識別幀的結(jié)束，增加識別的可靠性。幀尾一般控制在1-2個字節(jié)。

3.1.3信息域

信息域包含的內(nèi)容豐富，長度是可變的。信息域包括地址段、控制段、數(shù)據(jù)段等多種信息。其中控制段的內(nèi)容還可細(xì)分為幀序號、幀長度、幀類型、通信控制命令和數(shù)據(jù)塊鏈接信息等等，它們可以根據(jù)實(shí)際需求刪減。地址段、控制段中的幀序號和幀長度等等信息都是識別差錯的重要依據(jù)。地址段用于識別發(fā)送端、接收端地址，如果不是多機(jī)通信，可以刪減。幀序號的設(shè)置主要目的是為了數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中出錯時，進(jìn)行漏幀檢測。幀長度表示協(xié)議幀的字節(jié)數(shù)，指示幀的結(jié)束位置。在非定長幀協(xié)議中，幀長度的定義是非常必要的。數(shù)據(jù)段是數(shù)據(jù)信息交互的部分。如果協(xié)議設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)段采用ASCII碼數(shù)據(jù)格式，幀頭幀尾、地址段、控制段等其他信息選用區(qū)別于數(shù)據(jù)段使用的ASCII碼，則在數(shù)據(jù)幀的檢測中可以大大提高識別的可靠性。ASCII碼數(shù)據(jù)格式的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)冗長、傳輸效率低，比較適用于數(shù)據(jù)量少且實(shí)時性要求不高的場合。

3.1.4檢錯碼的應(yīng)用

檢錯碼用于檢測通過物理層鏈路傳輸后數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的錯誤。比較常用的檢錯碼有：累加和、異或和、縱向冗余校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）等等。累加和（Check-Sum）校驗(yàn)算法：累加和校驗(yàn)碼的初始值為0，將需運(yùn)算的所有數(shù)據(jù)字節(jié)（8bit），與初始值相加模256，最后所得的余數(shù)即為累加和校驗(yàn)碼。異或（XOR）校驗(yàn)算法：異或和校驗(yàn)碼的初始值為0，將需運(yùn)算的所有數(shù)據(jù)字節(jié)（8bit），與初始值相異或，最后所得結(jié)果即為異或校驗(yàn)碼。縱向冗余（Longitudinal Redundancy Code，簡稱LRC）校驗(yàn)算法：縱向冗余校驗(yàn)碼的初始值為0，將需運(yùn)算的所有數(shù)據(jù)字節(jié)（8bit）相加，所得之和丟棄進(jìn)位，求補(bǔ)碼，所得結(jié)果即為縱向冗余校驗(yàn)碼。

循環(huán)冗余（Cyclic Redundancy Check，簡稱CRC）校驗(yàn)算法：將需運(yùn)算的所有數(shù)據(jù)字節(jié)（8bit），按照約定的CRC碼生成規(guī)則，用16位CCITT生成多項(xiàng)式G（x）生成的余數(shù)即是CRC碼（n位）。目前較常使用的CRC位數(shù)（n位）有8、16、32，CRC位數(shù)越大，錯誤檢測能力越強(qiáng)，不過運(yùn)算費(fèi)時。據(jù)理論統(tǒng)計(jì)，使用16位CRC時，超過17個連續(xù)位的錯誤檢測率有99.9969%。累加和、異或和、縱向冗余3種檢錯碼算法簡單，對內(nèi)存要求小，但是檢錯碼的重碼率高，錯誤檢測率低；相對來說CRC校驗(yàn)碼是高效的。

3.2差錯控制方法的應(yīng)用

根據(jù)多年的實(shí)際工作總結(jié)，串口通信數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中可以通過以下三種方法實(shí)現(xiàn)重發(fā)機(jī)制：逐字節(jié)檢測重發(fā)、全數(shù)據(jù)檢測重發(fā)、時間控制重發(fā)。

3.2.1逐字節(jié)檢測重發(fā)

逐字節(jié)檢測重發(fā)機(jī)制屬于差錯控制方法中的反饋檢測方法。兩端數(shù)據(jù)傳輸過程中進(jìn)行逐字節(jié)握手，如果握手不成功則重新開始逐字節(jié)握手，直到確認(rèn)整幀握手成功。優(yōu)點(diǎn)：糾錯能力強(qiáng)，不依靠檢錯碼檢錯、隨時糾錯。缺點(diǎn)：兩端數(shù)據(jù)逐字節(jié)握手，傳輸效率低。這種數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制適用于對傳輸時間要求低，但對傳輸可靠性要求高的系統(tǒng)。在進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，需重點(diǎn)考慮完成整幀發(fā)送和接收的最長時間是否有可能對系統(tǒng)時間或時序造成影響。

3.2.2全數(shù)據(jù)檢測重發(fā)

全數(shù)據(jù)檢測重發(fā)機(jī)制屬于差錯控制方法中的自動請求重發(fā)方法。發(fā)送端將數(shù)據(jù)包一次性發(fā)出，接收端根據(jù)幀頭幀尾、地址段、檢錯碼等特征字符判斷接收的數(shù)據(jù)包的完整性和正確性，如果不正確要求發(fā)送端重發(fā)。與逐字節(jié)檢測方式相比，全數(shù)據(jù)檢測方式握手頻率減少，大大提高了傳輸效率，只是檢錯和糾錯只能在一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢之后。

在進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，如果選用這種數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，需考慮通信出現(xiàn)錯誤時發(fā)送方?jīng)Q定重發(fā)的條件、重發(fā)次數(shù)和重發(fā)延時時間，及對系統(tǒng)的影響。建議發(fā)送方的重發(fā)延時時間取T21的5～10倍。

3.2.3時間控制重發(fā)

時間控制重發(fā)機(jī)制屬于差錯控制方法中的前向糾錯方法的簡化。發(fā)送端按約定的頻率，不斷將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到接收端；接收端根據(jù)幀頭幀尾、地址段、檢錯碼等特征字符判斷接收的數(shù)據(jù)包的完整性和正確性。由于沒有握手機(jī)制，如果檢測到差錯只能等待下一時刻的數(shù)據(jù)幀來完成糾錯；同樣由于沒有握手機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸具有較高的實(shí)時性，尤其在傳輸線路條件良好的前提下。

在進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，需根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸波特率、數(shù)據(jù)幀長度、字格式計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸時間，然后確定數(shù)據(jù)幀間隔時間。上述幾種不同的差錯控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍。如果存在反饋信道，而且傳輸?shù)膶?shí)時性要求不高，那么ARQ方式是很好的選擇。串口通信數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議廣泛采用了ARQ方式的差錯控制方法：運(yùn)用檢錯方法和重發(fā)機(jī)制達(dá)到對差錯的檢測和糾正。

4、結(jié)語

文中介紹了一種適用于單片機(jī)系統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，協(xié)議將差錯控制方法與差錯控制編碼相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)差錯的有效控制。差錯控制一直是保障通信傳輸可靠性的重要手段，通過合理運(yùn)用差錯控制方法可以有效的提高數(shù)據(jù)通信的可靠性及通信質(zhì)量。

（作者單位：北京航天發(fā)射技術(shù)研究所）