一種高可靠串行通信協(xié)議

桂江華，邵 健，潘 邈

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

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一種高可靠串行通信協(xié)議

桂江華，邵 健，潘 邈

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

摘 要：隨著工作環(huán)境的日益復(fù)雜，現(xiàn)代通信對(duì)于可靠性的要求越來越高。現(xiàn)在存在的一些串行通信協(xié)議比如RS-232和RS-485等內(nèi)容簡單，方便實(shí)現(xiàn)，但是在傳輸規(guī)范方面沒有做很詳細(xì)的規(guī)定，因此傳輸?shù)目煽啃圆荒艿玫胶芎玫谋ＷC。為了提高串行通信的可靠性，在RS-232協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種全新的串行通信協(xié)議，定義了完備的幀格式，引入CRC校驗(yàn)、超時(shí)重發(fā)等一系列查錯(cuò)容錯(cuò)機(jī)制，通過仿真驗(yàn)證，證明了該通信協(xié)議的可靠性。

關(guān)鍵詞：循環(huán)校驗(yàn)碼；串行通信；幀格式；通信協(xié)議

1　引言

串行通信作為自動(dòng)化系統(tǒng)中智能設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的主要方式，在工業(yè)和自動(dòng)化控制領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用。為了方便工程中的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在存在的一些串行通信協(xié)議比如RS-232和RS-485等內(nèi)容簡單，方便實(shí)現(xiàn)，但是在可靠性和傳輸規(guī)范方面沒有做很詳細(xì)的規(guī)定，因此設(shè)計(jì)中的缺陷可能引起傳輸錯(cuò)誤，這樣將給需要高可靠性傳輸?shù)南到y(tǒng)帶來不必要的麻煩。

本文在RS-232等簡單的串行通信協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了一種全新的高可靠性串行通信協(xié)議，利用CRC校驗(yàn)進(jìn)行檢錯(cuò)，并擁有完備的超時(shí)重傳機(jī)制。使得應(yīng)用這個(gè)通信協(xié)議的串行通信在實(shí)際工程中的傳輸準(zhǔn)確率大大提高，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

2　RS-232串口通信協(xié)議

RS-232全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，標(biāo)準(zhǔn)的RS-232-C協(xié)議具有25根信號(hào)線，其中有4根數(shù)據(jù)線、11根控制線、3根定時(shí)線和7根備用線。通常情況下，使用其中的9根線就可以實(shí)現(xiàn)RS-232串口通信。

RS-232-C的串行總線在空閑的時(shí)候保持為邏輯“1”狀態(tài)，即串行連接線上的電平為-3～15 V。當(dāng)需要傳送一個(gè)字符時(shí)，首先會(huì)發(fā)送一個(gè)邏輯為“0”的起始位，表示開始發(fā)送數(shù)據(jù)；之后就逐個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位（邏輯“1”），每一次傳輸1個(gè)字符（可以設(shè)為5～8 bit）。由于任意兩個(gè)字符對(duì)應(yīng)瞬間的時(shí)間間隔是可變的，因此也被稱為異步格式。典型的傳輸時(shí)序如圖1所示。

圖1　RS-232協(xié)議的傳輸時(shí)序

在RS-232協(xié)議中，可以設(shè)置數(shù)據(jù)的傳輸速率。除此之外，字符的位寬、奇偶校驗(yàn)位、停止位都可以被設(shè)置。字符可以被設(shè)置成5～8 bit，奇偶校驗(yàn)位可以被除去；停止位可以設(shè)置成1位、2位甚至1.5位。每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)也被稱為二進(jìn)制波特率，即位周期的倒數(shù)，簡稱為比特率，用于衡量RS-232的傳輸速率。RS-232-C有一系列波特率標(biāo)準(zhǔn)：110 b/s、300 b/s、600 b/s、1200 b/s、1800 b/s、2400 b/s、4800 b/s、9600 b/s、14.4 kb/s、19.2 kb/s、28.8 kb/s、33.6 kb/s和56 kb/s等。

3　CRC校驗(yàn)碼

循環(huán)校驗(yàn)碼（CRC）的檢驗(yàn)原理實(shí)際上就是在一個(gè)p位二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列之后附加一個(gè)r位二進(jìn)制檢驗(yàn)碼，從而構(gòu)成一個(gè)總長為n=p+r位的二進(jìn)制序列，附加在數(shù)據(jù)之后的校驗(yàn)碼與數(shù)據(jù)內(nèi)容之間存在著某種特定的關(guān)系。

假設(shè)p位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列如式（1）所示：數(shù)據(jù)序列D是原始序列，為了r位生成校驗(yàn)碼，需要引入生成多項(xiàng)式的概念，生成多項(xiàng)式也就是發(fā)送方和接受方在通信之前約定的一個(gè)除數(shù)，一般記為G(x)，它對(duì)應(yīng)一個(gè)r+1位的二進(jìn)制序列，最高位和最低位必須為1，常用的生成多項(xiàng)式有CRC8、CRC12、CRC16和CRC32等。

將原始數(shù)據(jù)D左移r位并在較低的r位補(bǔ)0形成n位序列Dr(x)，CRC校驗(yàn)碼的生成過程如式（2）所示：

其中，Re[]表示對(duì)括號(hào)內(nèi)的除法進(jìn)行取余運(yùn)算。R(x)就是根據(jù)數(shù)據(jù)D計(jì)算出來的CRC校驗(yàn)碼，與數(shù)據(jù)序列D組合在一起可以得到帶有校驗(yàn)碼的序列M，M的形式如式（3）所示：

CRC校驗(yàn)碼的編碼過程如上所述，而校驗(yàn)過程則是對(duì)序列M進(jìn)行除法取余運(yùn)算，即：

如果計(jì)算得到R(x)為0則表示接收到的數(shù)據(jù)正確無誤。

在數(shù)據(jù)序列之后加上CRC校驗(yàn)碼使得傳輸?shù)目煽啃源蟠笤鰪?qiáng)，任何數(shù)據(jù)位的改變都將使得最后接收到的校驗(yàn)碼發(fā)生改變，從而知道收到的數(shù)據(jù)發(fā)生了錯(cuò)誤，然后根據(jù)不同情況進(jìn)行后續(xù)處理。

4　串行通信協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型的思想，可以將串行通信的協(xié)議簡化為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層3層，本文主要介紹數(shù)據(jù)鏈路層，它是串行通信協(xié)議中的核心，主要完成幀格式的確定，傳輸中差錯(cuò)的處理以及通信超時(shí)控制等。

4.1幀格式

一幀數(shù)據(jù)包括幾個(gè)組成部分，由幀頭、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)和幀尾幾個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2　幀格式示意圖

（1）幀頭

幀頭表示這個(gè)幀是串行通信的數(shù)據(jù)，并以此作為是否通過串口接收此幀的標(biāo)志位，幀頭占一個(gè)字節(jié)。

（2）數(shù)據(jù)類型

通信中需要傳輸不同的幀類型，有控制命令幀、應(yīng)答幀、數(shù)據(jù)幀等，此幀傳輸?shù)氖鞘裁磧?nèi)容由數(shù)據(jù)類型給出，它在幀中占一個(gè)字節(jié)。

（3）數(shù)據(jù)長度

數(shù)據(jù)長度用來描述數(shù)據(jù)包含的字節(jié)數(shù)，在發(fā)送方和接收方傳輸信息的時(shí)候這個(gè)標(biāo)志可以對(duì)發(fā)送或者接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行校對(duì)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。數(shù)據(jù)長度占一個(gè)字節(jié)。

（4）數(shù)據(jù)

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，長度為1～6個(gè)字節(jié)。

（5）CRC校驗(yàn)碼

這里采用的是CRC16校驗(yàn)碼，占一幀中的兩個(gè)字節(jié)，可以對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行高質(zhì)量的檢錯(cuò)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。

（6）幀尾

幀尾占一個(gè)字節(jié)，表示一幀的結(jié)束標(biāo)志。

4.2檢錯(cuò)容錯(cuò)機(jī)制

由于外界復(fù)雜電磁環(huán)境以及噪聲干擾信號(hào)的存在，串行通信的可靠性受到極大威脅。為了向應(yīng)用層提供可靠的通信服務(wù)，數(shù)據(jù)鏈路層必須能夠檢查出傳輸過程中數(shù)據(jù)幀存在的錯(cuò)誤，并在監(jiān)測出錯(cuò)誤之后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

如果幀頭、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和幀尾這些數(shù)據(jù)幀格式發(fā)生錯(cuò)誤，接收方將不給出應(yīng)答幀，直接放棄此幀等待下一幀；如果CRC檢測錯(cuò)誤，說明數(shù)據(jù)段發(fā)生了傳輸錯(cuò)誤，接收方發(fā)出錯(cuò)誤應(yīng)答，發(fā)送方接收到錯(cuò)誤應(yīng)答之后將立即重新發(fā)送一幀數(shù)據(jù)幀；如果接收到的數(shù)據(jù)不合法，等待1 ms的時(shí)間，不對(duì)該幀做任何處理，直接丟棄此幀。

圖3　發(fā)送方通信流程

圖4　接收方通信流程

對(duì)于發(fā)送方來說，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀之后將等待接收方給出的應(yīng)答，如果是錯(cuò)誤應(yīng)答，發(fā)送方立即重發(fā)此幀數(shù)據(jù)；如果是正確應(yīng)答，發(fā)送方不再發(fā)送數(shù)據(jù)，此幀通信結(jié)束；如果發(fā)送方在限定時(shí)間內(nèi)沒有收到任何回應(yīng)，發(fā)送方也將重發(fā)此幀，最多重發(fā)三次。

圖3和圖4分別是發(fā)送方和接收方的通信流程，從流程中可以看出本文協(xié)議的檢錯(cuò)容錯(cuò)機(jī)制。

5　通信協(xié)議的仿真驗(yàn)證

協(xié)議的仿真驗(yàn)證分為發(fā)送端和接收端兩個(gè)部分，對(duì)發(fā)送方和接收方的不同行為分別進(jìn)行了驗(yàn)證。

5.1發(fā)送端仿真驗(yàn)證

發(fā)送端發(fā)送正確數(shù)據(jù)幀之后收到正確的應(yīng)答幀，如圖5所示。發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為7e500534fb9af5，接收到的正確應(yīng)答幀為7e0b040350f5，應(yīng)答幀的形式有別于數(shù)據(jù)幀，在數(shù)據(jù)幀中，7e為幀頭，50是數(shù)據(jù)類型，05表示后面的數(shù)據(jù)占一個(gè)字節(jié)，34是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，fb9a是CRC校驗(yàn)碼，f5是幀尾，這是在第四節(jié)中提出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式，下面仿真中的數(shù)據(jù)幀也符合這樣的幀格式，不再一一贅述。

圖5　發(fā)送方接收到正確應(yīng)答

發(fā)送端發(fā)送一幀數(shù)據(jù)之后在一定時(shí)間之內(nèi)沒有收到接收方的應(yīng)答信號(hào)，發(fā)送端繼續(xù)發(fā)送此幀，重發(fā)次數(shù)最多不超過3次，如圖6所示。

發(fā)送端發(fā)送一幀數(shù)據(jù)之后收到接收端發(fā)來的錯(cuò)誤應(yīng)答，這里錯(cuò)誤應(yīng)答幀的形式為7e0b040050f5。發(fā)送方立即重發(fā)一幀相同的數(shù)據(jù)，如圖7所示，之后在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到接收端發(fā)來的應(yīng)答信號(hào)，所以發(fā)送方又繼續(xù)發(fā)送了兩次相同的數(shù)據(jù)幀。

圖6　發(fā)送方?jīng)]有收到應(yīng)答信息

圖7　發(fā)送方收到錯(cuò)誤應(yīng)答

5.2接收端仿真驗(yàn)證

接收端接收到正確的數(shù)據(jù)幀之后給出正確應(yīng)答返回給發(fā)送方，如圖8所示，這里接收端接收了3個(gè)不同的數(shù)據(jù)幀，每次接收正確的數(shù)據(jù)幀之后都會(huì)返回1個(gè)正確應(yīng)答幀。

接收方接收到的數(shù)據(jù)幀幀格式發(fā)生錯(cuò)誤，將不返回任何應(yīng)答，如圖9所示，接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)最大長度發(fā)生錯(cuò)誤，最大長度為a，而此時(shí)數(shù)據(jù)長度為b，不符合要求；第二個(gè)數(shù)據(jù)幀頭不符合要求；第三個(gè)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)長度為6，數(shù)據(jù)本應(yīng)該為2個(gè)字節(jié)，但是在這里只有1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，不符合要求；第四個(gè)數(shù)據(jù)幀幀尾不符合要求；最后一個(gè)數(shù)據(jù)幀為非法數(shù)據(jù)幀，如4.2節(jié)所述接受方在1 ms之內(nèi)沒有對(duì)其做任何處理，直接丟棄此幀等待下一幀的到來。

接收方接收到的數(shù)據(jù)幀檢測到CRC錯(cuò)誤，立即返回錯(cuò)誤應(yīng)答幀給發(fā)送方，發(fā)送方收到錯(cuò)誤應(yīng)答之后重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收方接收到正確數(shù)據(jù)幀，返回正確應(yīng)答幀，通信結(jié)束，整個(gè)過程如圖10所示。

圖8　接收方接收到正確數(shù)據(jù)幀

圖9　接收到的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)生錯(cuò)誤

圖10　接收到的數(shù)據(jù)幀CRC檢測錯(cuò)誤

6　結(jié)論

本文提出了一種全新的串行通信協(xié)議，通過仿真驗(yàn)證證明了這一協(xié)議的高可靠性，此協(xié)議已經(jīng)在一款專用串口通信芯片中得到應(yīng)用，并且在各種工作環(huán)境下都取得了良好的通信效果。

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桂江華（1981—），男，安徽安慶人，工程師，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)。

A Kind of Highly Reliable Serial Communication Protocol

GUI Jianghua, SHAO Jian, PAN Miao
（China Electronic Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

Abstract:With the increasing complexity of the working environment, the reliability of modern communication needs higher and higher requirements.Some serial communication protocol such as RS-232 and RS-485 which have simple content are easy to realize,but transmission reliability can not get a good guarantee due to the simple transmission specification. In order to improve the reliability of serial communication, a new protocol with complete frame format, CRC, retransmission and a series of error tolerant mechanism,which is based on RS-232 protocol is proposed in this paper. The reliability of the protocol is verified by the simulation in this paper.

Keywords:CRC; serial communication; frame format; communication protocol

作者簡介：

收稿日期：2015-12-4

中圖分類號(hào)：TN918

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）02-0040-04