一種穩(wěn)定且高效的串口分幀方法的研究及實(shí)踐

摘要：在上位機(jī)和單片機(jī)通訊過(guò)程中，串口通訊是一種常見(jiàn)的通訊方式，特別是在高頻率的RFID串口通訊中，數(shù)據(jù)從單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送非常快，此時(shí)穩(wěn)定且高效的串口分幀技術(shù)能從根本上保證數(shù)據(jù)通訊的正確性，本文基于多年項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)，總結(jié)出了一中基于幀頭特征位和協(xié)議校驗(yàn)的分幀方法，在多種復(fù)雜串口通訊場(chǎng)景中均能正確高效分幀，為上層的業(yè)務(wù)系統(tǒng)切實(shí)提供了可靠的支撐。

關(guān)鍵詞：上位機(jī)，單片機(jī)，串口通訊，分幀

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1

一.研究背景

在上位機(jī)和單片機(jī)的串口通訊中，當(dāng)串口數(shù)據(jù)以協(xié)議的格式源源不斷地發(fā)送到上位機(jī)的時(shí)候，上位機(jī)就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀及后續(xù)的解析，能正確且高效地分幀是后續(xù)所有業(yè)務(wù)功能的關(guān)鍵，很多初學(xué)者在處理該算法時(shí)由于考慮不全面很容易走彎路，導(dǎo)致在分幀時(shí)不能100%正確或者效率低下致使程序運(yùn)行緩慢，導(dǎo)致后續(xù)業(yè)務(wù)功能的不正確，根據(jù)常規(guī)的算法邏輯，一般的處理方法有兩種：延時(shí)等待一次性數(shù)據(jù)讀取和把串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成字符串進(jìn)行截取，但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這兩種方法均存在不完善的地方，本文在多年項(xiàng)實(shí)戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一種直接解析串口字節(jié)數(shù)據(jù)流，根據(jù)協(xié)議本身進(jìn)行校驗(yàn)的分幀方法，首先直接解析字節(jié)流不涉及到對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，節(jié)省了性能開(kāi)銷(xiāo)，其次基于協(xié)議的校驗(yàn)分幀可以應(yīng)對(duì)各種數(shù)據(jù)格式和情況，能覆蓋數(shù)據(jù)的任意變化而始終保持正確的解碼率，給后續(xù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)解析支撐，該方法通過(guò)眾多項(xiàng)目的驗(yàn)證特別是極限性能測(cè)試證明是有效的。

二.串口數(shù)據(jù)分幀常見(jiàn)算法及存在問(wèn)題

針對(duì)于串口數(shù)據(jù)的非連續(xù)上傳而由用戶(hù)事件觸發(fā)的情況，比如IC讀卡器的刷卡，指紋儀中指紋認(rèn)證，用戶(hù)的操作速度在和內(nèi)部程序處理的速度完全不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)鑒于串口數(shù)據(jù)在單片機(jī)MCU處理的時(shí)候本身就存在發(fā)送間隔，一般為50ms，可以利用這個(gè)特點(diǎn)在上位機(jī)進(jìn)行延時(shí)等待，比如在上位機(jī)設(shè)置和MCU相同的停頓時(shí)間，在程序中使用線(xiàn)程停頓50ms，理想情況下，如果時(shí)序能保持一致，則可以和單片機(jī)取得同步，延時(shí)后讀取串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，這種方法是最初級(jí)的方法，最直觀(guān)的特點(diǎn)是容易理解和操作，但數(shù)據(jù)一旦以非?？斓乃俣冗B續(xù)上傳，比如在RFID主機(jī)感應(yīng)標(biāo)簽的場(chǎng)景中，上位機(jī)和單片機(jī)保持完全同步是很困難的，這就會(huì)造成讀取的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)很多的非完整幀，當(dāng)出現(xiàn)斷幀時(shí)而不進(jìn)行首尾的拼接處理則意味著數(shù)據(jù)的丟失，在實(shí)際的測(cè)試中，這種情況下斷幀現(xiàn)象很明顯，所以這種最直觀(guān)的做法只適用于數(shù)據(jù)上傳速度很低的情況，高速的串口數(shù)據(jù)通訊中這種做法漏洞很大。

第二種常見(jiàn)的分幀方法則是將數(shù)據(jù)無(wú)論什么時(shí)候上傳過(guò)來(lái)就接收并轉(zhuǎn)化為字符串進(jìn)行截取，并同時(shí)進(jìn)行上下斷幀的首尾拼接處理，理論上來(lái)說(shuō)，這種方法邏輯上沒(méi)有問(wèn)題，在使用具體編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，主要注意語(yǔ)句的書(shū)寫(xiě)和處理，是能保證100%正確的分幀，但在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中有個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題，即將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符串時(shí)的性能消耗，一般情況下，在性能較好的PC上開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序問(wèn)題不大，但在硬件條件相對(duì)較低的嵌入式終端中，這樣處理數(shù)據(jù)也還是會(huì)遇到性能上的瓶頸，在目前的常用的編程語(yǔ)言中，字符串的處理都是相對(duì)消耗資源的，特別是數(shù)據(jù)類(lèi)型的選型不合適，更會(huì)拖累程序的總體表現(xiàn)，比如String和StringBuilder的性能差別就很大，如此種種，在實(shí)際使用中，這種方法的實(shí)際效果也不盡如人意。

在走過(guò)一定的彎路后，開(kāi)始從串口上傳的原始數(shù)據(jù)上重新審視既能正確分幀同時(shí)效率又高的方法，其實(shí)一切問(wèn)題的解決都要從根源入手，通過(guò)對(duì)比常見(jiàn)的編程語(yǔ)言對(duì)串口數(shù)據(jù)的處理，發(fā)現(xiàn)最原始的數(shù)據(jù)都是字節(jié)流，即字節(jié)數(shù)組，那么此時(shí)基于這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身不加任何類(lèi)型轉(zhuǎn)換來(lái)對(duì)其進(jìn)行處理將是效率最高的，同時(shí)，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)上傳的流暢度，程序中不能加任何的線(xiàn)程停頓，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)積壓，遵循數(shù)據(jù)上傳的原始速度，將數(shù)據(jù)按照協(xié)議統(tǒng)一讀入公共緩沖區(qū)，利用協(xié)議對(duì)其每一個(gè)字節(jié)流的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下面來(lái)詳細(xì)展開(kāi)該算法的實(shí)現(xiàn)描述。

三.基于幀頭特征位和協(xié)議校驗(yàn)分幀方法的算法實(shí)現(xiàn)

該算法的基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，支持在幀頭幀尾加上用戶(hù)自定義設(shè)置，以下面兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀片段為例：CC?DD?02?01?48?F3?00?05?4A?C4?D7?E4?02?02?B0?54 CC DD 02 01 48 06 00 01 02 FF 97 73，首先該數(shù)據(jù)的協(xié)議格式為如下表所示。

需要特別說(shuō)明的是，上述協(xié)議中，前面4個(gè)字節(jié)是自定義格式部分，非標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議格式，從第5位開(kāi)始到一幀結(jié)束才是標(biāo)準(zhǔn)Modbus格式，即從物理地址到校驗(yàn)，而校驗(yàn)也是針對(duì)該幀中Modbus數(shù)據(jù)部分，幀頭的自定義內(nèi)容不參與校驗(yàn)，根據(jù)協(xié)議并對(duì)上述2幀連續(xù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，可以得出如下圖1所示的目標(biāo)效果的分幀格式。

就數(shù)據(jù)特點(diǎn)而言，這是兩個(gè)不同類(lèi)型的幀，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同，但即使相同，長(zhǎng)度仍然不能成為分幀的依據(jù)，因?yàn)檫@里面可能有干擾數(shù)據(jù)，正確做法主要分為2個(gè)步驟，首先將讀取到的字節(jié)流按照循環(huán)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)解析，根據(jù)幀頭標(biāo)志的特點(diǎn)確定幀頭的起始位置;定好幀頭后，由于校驗(yàn)位是2位，當(dāng)待解析的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于6（4位幀頭+2位校驗(yàn)）時(shí)即開(kāi)始計(jì)算校驗(yàn)并逐位往后推進(jìn)，當(dāng)遇到校驗(yàn)成功時(shí)即代表分出一個(gè)完整有效的幀，此時(shí)將該幀提交到業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理，重新從下一位數(shù)據(jù)位按照上述規(guī)則進(jìn)行分幀，如此循環(huán)往復(fù)，程序算法描述如下。

聲明字節(jié)流變量allData和frameData，分別代表一次串口讀到的所有數(shù)據(jù)和分幀數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)，聲明整形變量all_Length和frame_Length分別代表所有數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和當(dāng)前數(shù)據(jù)幀位置指針，算法具體實(shí)現(xiàn)：

frame_Length=0;

For（循環(huán)因子i=0;i

{

If（frame_Length<2）

{

if （allData[i] == 0xCC || allData[i] == 0xDD）//識(shí)別幀頭

{

frameData[frame_Length]= allData[i];

frame_Length++;

}

}

Else

{

frameData[frame_Length]= allData[i];

frame_Length++;

if（frame_Length>6）//可以進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)即開(kāi)始校驗(yàn)

{

If（校驗(yàn)成功）

{

處理frameData中已取到的一幀完整數(shù)據(jù);

frame_Length=0;//重新開(kāi)始下一幀的尋找

}

}

}

}

從上述偽代碼的算法描述中不難看出，分幀的第一步則是識(shí)別幀頭，一旦識(shí)別到以后，則從具備校驗(yàn)條件開(kāi)始的第一位即進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算，逐位往后推進(jìn)，直到校驗(yàn)成功則代表一幀完整正確的數(shù)據(jù)分離成功，這種算法在針對(duì)一個(gè)場(chǎng)景中無(wú)論有多少種不同類(lèi)型的幀皆可正確處理，在實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用中也被證明無(wú)任何漏幀和錯(cuò)誤的發(fā)生，證明了算法的完備性，同時(shí)算法所選取的背景數(shù)據(jù)最大限度地減少了協(xié)議中的特殊定義，選取了最常見(jiàn)的幀頭標(biāo)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，對(duì)于擴(kuò)展到串口通訊中的其他任意場(chǎng)景亦提供了最大程度的支撐，在具體場(chǎng)景將算法落地時(shí)只需要根據(jù)目標(biāo)協(xié)議中的幀頭特征進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整即可。

四.算法未來(lái)優(yōu)化方向及進(jìn)一步的工作

其實(shí)針對(duì)上述算法仔細(xì)分析，不難發(fā)現(xiàn)其中有不少的性能浪費(fèi)，存在進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化的空間，主要體現(xiàn)在校驗(yàn)的計(jì)算上，從數(shù)據(jù)長(zhǎng)度滿(mǎn)足校驗(yàn)計(jì)算的條件開(kāi)始即進(jìn)行一次又一次的計(jì)算，在真正有效的校驗(yàn)之前的所有校驗(yàn)其實(shí)都是浪費(fèi)的，如圖2所示，對(duì)于第一幀數(shù)據(jù)，無(wú)

用的校驗(yàn)次數(shù)就有9次之多（紅色標(biāo)識(shí)位置），但這樣的設(shè)計(jì)主要基于該協(xié)議沒(méi)有設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位以幫助算法直接找到校驗(yàn)位，這也就給未來(lái)的優(yōu)化提供了比較明確的目標(biāo)：即在Modbus協(xié)議的設(shè)計(jì)中，首先將本幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度放在協(xié)議的頭部區(qū)域，當(dāng)程序讀到數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)，直接往后推進(jìn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位之后直接進(jìn)行校驗(yàn)，這樣既節(jié)省了性能開(kāi)銷(xiāo)，又保證了數(shù)據(jù)幀的正確性和高效的解析速度，是未來(lái)在工作中需要進(jìn)一步實(shí)踐的地方。

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[1]本文章源自項(xiàng)目《賽爾網(wǎng)絡(luò)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)（NGII20190701）》

[2]劉中原（1980-），男，漢族，河南商水人，碩士研究生，講師，主要從事軟件方面的教學(xué)及研究工作。