車機(jī)控制長連接數(shù)據(jù)通信方法

韋忠杰

(柳州市華創(chuàng)汽車設(shè)計(jì)有限公司，廣西 柳州 545616)

0 前言

車機(jī)端的開發(fā)主要分為主處理器(SOC)與微控制器(MCU)的開發(fā)，其中SOC負(fù)責(zé)人機(jī)交互及相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)(基于Android系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)、WinCE等系統(tǒng))，MCU主要負(fù)責(zé)車機(jī)電源管理與整車控制器域網(wǎng)(CAN)數(shù)據(jù)收發(fā)。MCU為SOC提供車輛信息，SOC對車輛信息處理后提供服務(wù)，二者間正常通信是提供服務(wù)的基礎(chǔ)，CAN數(shù)據(jù)與整車電源變動的信息是被動獲取的，因此二者間的通信連接需要處于長連接狀態(tài)，以保證數(shù)據(jù)的及時(shí)響應(yīng)與處理。

車機(jī)SOC與MCU一般通過通用異步收發(fā)傳輸器(UART)/串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行長連接數(shù)據(jù)傳輸，在此過程中數(shù)據(jù)處理不完善、通信中出現(xiàn)異常、不能及時(shí)處理等問題均會導(dǎo)致車機(jī)功能異常，因此良好的通信處理流程和通信鏈路狀態(tài)的檢測及恢復(fù)是非常重要的。

1 長連接通信

長連接通信需要對端與端的連接進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)增加連接的?；顧C(jī)制及異常檢測與處理。以UART為例進(jìn)行長連接通信的數(shù)據(jù)傳輸作為研究對象進(jìn)行解析。

在SOC與MCU的長連接過程中，存在SOC向MCU主動發(fā)送請求的情況，也存在MCU主動向SOC發(fā)送信息的情況，雙方都需要進(jìn)入通信收發(fā)準(zhǔn)備，并進(jìn)行通信收發(fā)處理及通信狀態(tài)同步。

1.1 通信準(zhǔn)備

在SOC與MCU的長連接過程中，通信準(zhǔn)備需要雙方都打開通信接口，共同完成通信參數(shù)設(shè)置。如果二者通過UART進(jìn)行通信，則雙方需要進(jìn)行以下操作：① 打開指定UART端口；② 設(shè)置波特率(需要雙方設(shè)置相同參數(shù))；③ 設(shè)置數(shù)據(jù)位(需要雙方設(shè)置相同參數(shù)，一般設(shè)為8 bit)；④ 設(shè)置停止位(需要雙方設(shè)置相同參數(shù))；⑤ 設(shè)置奇偶校驗(yàn)位(需要雙方設(shè)置相同參數(shù))。

通信參數(shù)設(shè)置完畢后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通信流程主要分為數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)接收，其中數(shù)據(jù)發(fā)送是主動觸發(fā)的，數(shù)據(jù)接收是被動獲取的，需要分開進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)接收流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)接收流程

1.2 通信收發(fā)處理

由于頻繁的通信交互會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要防止通信過程中數(shù)據(jù)遺漏或被覆蓋，因此數(shù)據(jù)收發(fā)后需要及時(shí)處理，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后再進(jìn)行刪除。

通信數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收處理流程

通信數(shù)據(jù)的接收處理考慮到數(shù)據(jù)完整性及主線程響應(yīng)慢的情況，主要分為以下2個(gè)步驟：① 將收到的數(shù)據(jù)拷貝到特定數(shù)組中，并與數(shù)組中已有數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，拼成完整的數(shù)據(jù)幀供后續(xù)處理。由于同一時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)較多，所以可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)分開多次發(fā)送的情況。② 特定線程對數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀解析，從數(shù)據(jù)幀解析出有效數(shù)據(jù)，并將有效數(shù)據(jù)發(fā)給主線程進(jìn)行處理，同時(shí)從數(shù)組中刪除相應(yīng)的幀數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)解析處理耗時(shí)，因此需要放到其他線程處理，防止主線程阻塞響應(yīng)慢的情況。

通信數(shù)據(jù)的發(fā)送處理分為數(shù)據(jù)打包與數(shù)據(jù)發(fā)送，主要分為以下2個(gè)步驟：① 根據(jù)收到的信息將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并將打包好的數(shù)據(jù)幀放入信息鏈表中，防止數(shù)據(jù)遺漏發(fā)送或數(shù)據(jù)覆蓋情況；② 特定線程對信息鏈表進(jìn)行檢測，檢測到有信息時(shí)，則從信息鏈表中獲取數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送完后將對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀從信息鏈表中刪除。因信息鏈表循環(huán)檢測與數(shù)據(jù)的發(fā)送比較耗時(shí)，為防止主線程阻塞響應(yīng)慢的情況，需要放到其他線程中進(jìn)行處理。

1.3 通信狀態(tài)同步

在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信前，需要做好通信準(zhǔn)備并同步連接狀態(tài)后，才能進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸。如果SOC在啟動過程中存在電壓不穩(wěn)的情況，可能會出現(xiàn)干擾數(shù)據(jù)通過鏈路傳輸給MCU端，如果不進(jìn)行狀態(tài)同步，則可能會導(dǎo)致異常情況出現(xiàn)。

SOC與MCU間的關(guān)系類似于網(wǎng)絡(luò)通信中的客戶端與服務(wù)端。MCU作為服務(wù)端需要確認(rèn)與客戶端的連接情況，決定是否向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)及響應(yīng)客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)；SOC作為客戶端，與服務(wù)端進(jìn)行正式的數(shù)據(jù)通信前，需要先發(fā)送一串連接數(shù)據(jù)幀，告知服務(wù)端通信已準(zhǔn)備好并進(jìn)行連接，服務(wù)端收到數(shù)據(jù)并解析出連接數(shù)據(jù)幀后，反饋給客戶端，可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通信狀態(tài)同步流程如圖3所示。

圖3 通信狀態(tài)同步流程

由于SOC與MCU間一直處于連接通信狀態(tài)，不需要同步斷開通信的情況，只有在機(jī)器休眠或關(guān)機(jī)的過程中才會斷開，休眠喚醒或重啟后MCU端會將連接狀態(tài)清除，并重新等待SOC的連接數(shù)據(jù)幀，SOC需要重新設(shè)置參數(shù)，并發(fā)送數(shù)據(jù)連接幀進(jìn)行通信。

2 長連接“心跳”機(jī)制

在整個(gè)通信周期中，可能有較長一段時(shí)間雙方是沒有交互的，在這過程中可以通過“心跳”機(jī)制判斷通信鏈路狀態(tài)。

“心跳”機(jī)制是指定時(shí)發(fā)送一個(gè)簡短的數(shù)據(jù)包，檢測連接是否正常?？蛻舳藨?yīng)用層使用定時(shí)器，定時(shí)向服務(wù)端發(fā)送一個(gè)簡短的數(shù)據(jù)包，然后等待服務(wù)端回應(yīng)，如果在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到服務(wù)端回應(yīng)，則認(rèn)為是連接異常；同時(shí)，服務(wù)端在已連接的情況下，收到客戶端的“心跳”數(shù)據(jù)包后，及時(shí)應(yīng)答對應(yīng)數(shù)據(jù)包，如果固定時(shí)間內(nèi)未收到“心跳”數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為連接異常。

如果服務(wù)端和客戶端有頻繁的數(shù)據(jù)通信往來，這些數(shù)據(jù)包本身就可以用于檢測連接情況，無須一直定時(shí)發(fā)送“心跳”數(shù)據(jù)包來增大通信數(shù)據(jù)量，因此可以將“心跳”數(shù)據(jù)包與正常數(shù)據(jù)包結(jié)合起來使用。優(yōu)化后的“心跳”機(jī)制流程如圖4所示。① 客戶端設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，用于定時(shí)發(fā)送“心跳”數(shù)據(jù)包；② 客戶端需要判斷信息鏈表中待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否發(fā)送完畢歸零，發(fā)送完畢后則將計(jì)時(shí)器歸零后并啟動定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；③ 客戶端如果在定時(shí)器運(yùn)行計(jì)時(shí)過程中有新的數(shù)據(jù)幀要發(fā)送，則將定時(shí)器暫停；④ 客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，一定時(shí)間內(nèi)未收到服務(wù)端反饋的處理信息，計(jì)時(shí)時(shí)間到后則認(rèn)為通信鏈路異常；⑤ 服務(wù)端設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，用于確認(rèn)通信鏈路狀況；⑥ 服務(wù)端每次接收到客戶端的數(shù)據(jù)幀后，則將定時(shí)器中的計(jì)時(shí)器重新歸零處理，且將每次處理的結(jié)果反饋給客戶端；⑦ 如果服務(wù)端一定時(shí)間內(nèi)未收到來自客戶端的信息，計(jì)時(shí)時(shí)間到后則認(rèn)為通信鏈路異常，并停止服務(wù)，等待服務(wù)端重新連接。

圖4 優(yōu)化后的長連接“心跳”機(jī)制

3 長連接糾錯(cuò)與處理

根據(jù)長連接通信的內(nèi)容已經(jīng)可以讓雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并對數(shù)據(jù)的收發(fā)進(jìn)行處理，而長連接“心跳”機(jī)制則能更進(jìn)一步協(xié)助雙方進(jìn)行通信鏈路狀態(tài)的檢測，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信鏈路異常并進(jìn)行簡單的斷開處理。

但僅靠檢測到異常就進(jìn)行斷開處理并不是最佳處理方法。需要對通信鏈路嘗試修復(fù)，從而繼續(xù)提供服務(wù)，且在異常出現(xiàn)時(shí)，將發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，然后進(jìn)行重發(fā)，即要求具有數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，防止重要數(shù)據(jù)的遺漏。因此，在上述的長連接通信與“心跳”機(jī)制上增加通信重連功能與數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，可讓長連接通信更加可靠。

3.1 通信重連功能

通信重連就是將原有的鏈路端口關(guān)閉后重新打開，設(shè)置初始參數(shù)后，重新進(jìn)行狀態(tài)的同步操作。在長連接通信過程中可能會出現(xiàn)異常且不可逆轉(zhuǎn)的情況，需要通過通信重連功能恢復(fù)通信，一般發(fā)生以下情況時(shí)需要通信重連：① 硬件設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致偶發(fā)的電磁干擾，電磁干擾可能導(dǎo)致正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)遺失或?qū)е骆溌樊惓＃绻挥绊懸凰查g則可以通過數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制解決，否則需要通過通信重連進(jìn)行處理；② 通信客戶端軟件異常，例如數(shù)據(jù)能發(fā)送成功但接收不到服務(wù)端反饋的數(shù)據(jù)，一定時(shí)間后則需要重連來恢復(fù)通信狀態(tài)，并重新向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)；如果進(jìn)程異常，則需要重啟進(jìn)程后再重連，這種情況下會導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)的通信斷開，存在數(shù)據(jù)丟失的情況；③ 通信服務(wù)端軟件異常，如果能收到數(shù)據(jù)但不能發(fā)送數(shù)據(jù)，需要服務(wù)端處理異常后重連恢復(fù)通信狀態(tài)，然后向客戶端回饋數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制

長連接過程中出現(xiàn)異常，一般處理后都需要通過數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制來維持之前通信狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)完整性并進(jìn)行響應(yīng)。數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制主要由2個(gè)部分組成，即發(fā)送數(shù)據(jù)幀的保存與刪除，重發(fā)次數(shù)及時(shí)間間隔。

可對“從信息鏈表中獲取數(shù)據(jù)幀發(fā)送給遠(yuǎn)端后立即刪除數(shù)據(jù)幀”的流程進(jìn)行修改，改為“從信息鏈表中獲取數(shù)據(jù)幀發(fā)送給遠(yuǎn)端，待收到遠(yuǎn)端的相應(yīng)反饋后，再從信息鏈表中刪除相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀”。

重發(fā)次數(shù)可根據(jù)具體功能要求而定，一般設(shè)置3次，如果發(fā)送3次都未收到反饋，則基本可以認(rèn)為通信連接異常。關(guān)閉通信連接并重新設(shè)置連接通信，發(fā)送次數(shù)重新統(tǒng)計(jì)。時(shí)間間隔可設(shè)為固定，也可將重發(fā)時(shí)間間隔逐漸加大，如設(shè)置為200 ms、400 ms、800 ms。

4 長連接整體流程

整個(gè)長連接通信的實(shí)現(xiàn)按軟件功能可分為數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、通信狀態(tài)檢測和異常處理4個(gè)部分。由于客戶端與服務(wù)端框架大致相同，再次對客戶端通信流程進(jìn)行分析，如圖5所示。由圖5可知該框架流程的軟件實(shí)現(xiàn)涉及到數(shù)組、鏈表、線程、線程同步與定時(shí)器的使用。各功能大體流程如下：

圖5 客戶端通信流程

(1) 主線程。接收應(yīng)用數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)打包放入待發(fā)送鏈表中，同步通知數(shù)據(jù)發(fā)送線程；監(jiān)聽接收到服務(wù)端數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)放入數(shù)組中進(jìn)行拼接，然后同步通知數(shù)據(jù)接收處理線程。

(2) 數(shù)據(jù)發(fā)送。線程中判斷發(fā)送鏈表是否有數(shù)據(jù)，如果發(fā)送鏈表有數(shù)據(jù)，則獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，取消定時(shí)“心跳”機(jī)制，并啟動服務(wù)端返回狀態(tài)檢測機(jī)制，如果一定時(shí)間未檢測到數(shù)據(jù)返回，則進(jìn)入數(shù)據(jù)重發(fā)；如果發(fā)送鏈表無數(shù)據(jù)，則啟動定時(shí)器進(jìn)入“心跳”模式，定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)接收處理。線程從數(shù)組中解析出數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析后，刪除數(shù)組中獲取的數(shù)據(jù)幀并刪除發(fā)送鏈表中的數(shù)據(jù)，通知發(fā)送線程繼續(xù)進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。

(4) 通信狀態(tài)檢測。數(shù)據(jù)發(fā)送線程發(fā)送數(shù)據(jù)后，啟動定時(shí)器確認(rèn)一段時(shí)間內(nèi)是否有數(shù)據(jù)反饋。如果數(shù)據(jù)接收處理線程中檢測到有對應(yīng)數(shù)據(jù)返回，則同步取消定時(shí)器；如果沒有對應(yīng)數(shù)據(jù)返回，則認(rèn)為通信異常。

(5) 異常處理。一定時(shí)間內(nèi)接收不到返回?cái)?shù)據(jù)，則觸發(fā)重發(fā)機(jī)制，如果重發(fā)3次都不能接收到數(shù)據(jù)，則認(rèn)為通信異常不可恢復(fù)，需要重新進(jìn)行通信設(shè)置連接。

5 結(jié)語

本文提供了一種車機(jī)內(nèi)部SOC與MCU的長連接通信軟件的實(shí)現(xiàn)方式，在滿足基本通信功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)長連接特性增加了通信狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)重發(fā)、通信重連及“心跳”機(jī)制，盡可能地保證長連接通信的有效性。