串口數(shù)據(jù)解包方法的研究

■ 夏志飛 趙雷/凌云科技集團有限責任公司

串口通信常用于計算機及嵌入式設備的數(shù)據(jù)通信，尤其是在遠程控制、測試測量等工業(yè)應用中，數(shù)據(jù)經(jīng)常以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)時需封包，接收數(shù)據(jù)時需解包，準確無誤地解包是一項非常重要的工作。

1 串口通信

目前常見的串口通信接口標準有RS-232、RS-422、RS-485等， 其 中，RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）在20世紀60年代發(fā)布的通信協(xié)議，方便不同廠家產(chǎn)品之間數(shù)據(jù)的通信；RS-422在RS-232的基礎上提高了傳輸距離和抗干擾能力；RS-485又在RS-422的基礎上增加了多點雙向通信能力[1]。這幾種標準只規(guī)定了通信接口的物理層電氣標準，在此基礎上，用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。

對于工程應用而言，信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及正確性非常重要，如果每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過一幀，一般就采用數(shù)據(jù)包的形式傳輸。如圖1所示，每個數(shù)據(jù)幀由多個連續(xù)的位（Bite）構成，通常包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位，數(shù)據(jù)位長度一般為5～9，每個數(shù)據(jù)包又由多個連續(xù)的數(shù)據(jù)幀構成。串口通信的速率相對較低，一般數(shù)據(jù)量有限，采用單數(shù)據(jù)包機制，少數(shù)也有采用類似網(wǎng)絡通信分層處理方式的，但中間層一般還是采用數(shù)據(jù)包機制。

2 數(shù)據(jù)包格式分析

為了避免數(shù)據(jù)傳輸中的混亂與錯誤，便于數(shù)據(jù)的解釋與分析，數(shù)據(jù)包之間必須有明顯的標志，通常基于以下兩種方式。

1）基于特殊字符

以特殊字符作為數(shù)據(jù)包的開始，再根據(jù)幀尾或幀長確定整個數(shù)據(jù)包，具體的格式很多，如包頭+數(shù)據(jù)+校驗+包尾、包頭+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)+校驗值等，優(yōu)點是特殊字符識別容易、邏輯簡單，缺點是數(shù)據(jù)域中不能包含包頭、包尾，當然可通過增加轉(zhuǎn)義符的方式來避免，只是要增加額外的處理。

圖1 數(shù)據(jù)包結構

2）基于時間

數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸，數(shù)據(jù)包間存在一定的間隔時間。優(yōu)點是比較通用，絕大部分串口通信都不是滿負荷傳輸，數(shù)據(jù)包間都存在較大的時間間隙；缺點是處理稍復雜，需要判定時間。

當然，以上兩種方法經(jīng)常結合在一起使用，可以減少數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)的異常，共同保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊?/p>

3 實用解包方法

串口數(shù)據(jù)包的解包過程通常分為數(shù)據(jù)包分割、數(shù)據(jù)提取與分析兩部分，在不清楚串口通信協(xié)議的情況下，還需反推數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)包的格式。

1）數(shù)據(jù)幀格式反推

在缺少資料的情況下，可直接基于串口通信物理接口進行分析，采用示波器分析可知串口通信的類型。RS-232一般采用三線制傳輸數(shù)據(jù)，少數(shù)采用五線制傳輸數(shù)據(jù)，標準RS-232信號電平為±12V；單片機之間的通信有時也采用TTL電平標準。RS-422/RS-485采用四線或雙線差分傳輸，差分電壓一般為±5V。

確定串口通信標準后，還需確定數(shù)據(jù)幀的格式。采用邏輯分析儀進行分析較為方便，部分邏輯分析儀如Saleae Logic等包含了串行總線數(shù)據(jù)分析功能（見圖2）[2]，設定串口數(shù)據(jù)幀的波特率、數(shù)據(jù)位長度、停止位、校驗位等參數(shù)后再分析采樣數(shù)據(jù)，嘗試幾次便可確定數(shù)據(jù)幀的格式。

2）數(shù)據(jù)包分割

絕大部分數(shù)據(jù)包之間都存在一定的時間間隙，可據(jù)此判定分割。數(shù)據(jù)量較多時，一般需借助計算機程序自動分割，下面介紹一種數(shù)據(jù)包分割識別的方案。

圖3為數(shù)據(jù)包分割的基本流程，無論是計算機還是單片機都可使用。對于計算機而言，Windows操作系統(tǒng)下定時器精度一般只達到1ms，無數(shù)據(jù)時長（數(shù)據(jù)包間隔）一般要求大于10ms；對于單片機而言，由于不少型號的單片機沒有串口硬件緩存，定時查詢的時間需小于單個數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)臅r間。

依據(jù)數(shù)據(jù)包間隔超時分割數(shù)據(jù)包時，還可同時依據(jù)數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包尾、校驗等進行判定及篩選，圖4是基于此原理開發(fā)的UART splitter軟件數(shù)據(jù)包分割的設置界面。

3）數(shù)據(jù)包格式反推

反推數(shù)據(jù)包格式時，首先確定數(shù)據(jù)包的構成。一般數(shù)據(jù)的包頭、包尾、包長度的位置是固定的，較容易識別；校驗通常有和校驗、CRC校驗等幾種，需要猜測幾次才能確定；余下的一般就是數(shù)據(jù)區(qū)。

圖2 Saleae Logic邏輯分析儀串口總線分析設置界面

圖3 數(shù)據(jù)包分割的基本流程

圖4 UART splitter軟件數(shù)據(jù)包分割設置界面

確定數(shù)據(jù)包的構成后，需要重點分析的便是數(shù)據(jù)區(qū)。常見的數(shù)據(jù)編碼有BNR（按2的補碼小數(shù)記法表示的二進制）碼、BCD碼或ASCII碼等，少數(shù)采用自定義編碼，或由多個數(shù)據(jù)組合成一個數(shù)據(jù)包，甚至涉及加密，這樣的數(shù)據(jù)需要大量采樣后統(tǒng)計、分析其規(guī)律。

4）數(shù)據(jù)提取與分析

數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)通常不能直接處理，其處理方式需根據(jù)工程的需求而定，一般需將有效數(shù)據(jù)提取出來并進行一定的轉(zhuǎn)換處理后再進行分析。若數(shù)據(jù)量很大或計算復雜時，Windows操作系統(tǒng)下一般需另開線程處理，單片機中一般需在低級別的中斷中處理，以確保數(shù)據(jù)包分割的實時性。

4 結束語

本文主要介紹了串口數(shù)據(jù)解包的基本原理和方法，該方法已應于筆者參與的多個工程中，取得了較好的效果，此外，該方法對 SPI、I2C、CSDB、Manchester等串行總線數(shù)據(jù)的解包也有借鑒意義。